秦現(xiàn)生 張雪峰 譚小群 馮華山 張培培

1.西北工業(yè)大學(xué)，西安，710072

2.陜西省數(shù)字化特種制造裝備工程技術(shù)研究中心，西安，710072

0 引言

從1962年世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人——斯坦福（STANFORD）操作手誕生以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，先進(jìn)機(jī)器人的研究和開發(fā)已成為衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一［1］。仿生機(jī)器人作為機(jī)器人發(fā)展的高級(jí)形式，將自然界中各種生物系統(tǒng)的生物結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式和生物控制方式引入到機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，通過(guò)模仿生物的外形特征、運(yùn)動(dòng)機(jī)理或生理機(jī)能，實(shí)現(xiàn)了種類眾多的精巧設(shè)計(jì)和特殊任務(wù)裝備設(shè)計(jì)。

仿生機(jī)器人的移動(dòng)方式主要有腿式、游動(dòng)式、撲翼飛行式和蠕動(dòng)式等。面向陸地應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)方式具有速度高、運(yùn)行穩(wěn)定性好和控制方便等優(yōu)點(diǎn)，但它要求運(yùn)行的地面相對(duì)平坦且連續(xù)，對(duì)復(fù)雜超高障礙物、超距溝渠、陡峭山地、泥濘沼澤和沙漠等非平坦環(huán)境的適應(yīng)能力較差。相比傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人，類哺乳動(dòng)物腿式機(jī)器人雖然移動(dòng)速度較低，但卻可以利用離散的地面支撐實(shí)現(xiàn)非接觸式障礙規(guī)避、障礙跨越、上下臺(tái)階以及不平整地面運(yùn)動(dòng)，對(duì)復(fù)雜地形和不可預(yù)知環(huán)境變化具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，且隨著腿式機(jī)器人自主環(huán)境識(shí)別能力、驅(qū)動(dòng)能力和負(fù)載能力的增強(qiáng)，腿式機(jī)器人將在復(fù)雜危險(xiǎn)極限環(huán)境且對(duì)運(yùn)行速度有較高要求的運(yùn)輸領(lǐng)域表現(xiàn)出更強(qiáng)的應(yīng)用潛力，如幫助戰(zhàn)地環(huán)境下的士兵提高作業(yè)執(zhí)行機(jī)動(dòng)性和效率等?？梢灶A(yù)計(jì)，在未來(lái)的礦產(chǎn)采掘、星際探測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)和軍事偵查與反恐等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域類哺乳動(dòng)物腿式機(jī)器人將表現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

本文從類哺乳動(dòng)物雙腿式機(jī)器人和四腿式機(jī)器人兩個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外腿式仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，分析和討論了腿式仿生機(jī)器人的相關(guān)理論方法及存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 雙腿式仿生機(jī)器人

雙腿式仿生機(jī)器人主要以生物人為仿生原型，根據(jù)生成的步態(tài)有無(wú)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，雙腿式仿生機(jī)器人可分為主動(dòng)行走和被動(dòng)行走兩種，而被動(dòng)行走則主要是從降低步行能耗的角度進(jìn)行考慮的。

1.1 雙腿式主動(dòng)機(jī)器人

在雙腿式機(jī)器人樣機(jī)研制上，比較有代表性的有瑞士蘇黎士大學(xué)的Ecci、美國(guó)弗尼吉亞大學(xué)的CHARLI、美國(guó)波士頓動(dòng)力公司的Petman和瑞典梅拉達(dá)倫大學(xué)的Dasher以及日本本田的ASIMO等。區(qū)別于傳統(tǒng)的“電機(jī)＋減速”直接驅(qū)動(dòng)，這些機(jī)器人較為新穎的特點(diǎn)為肌肉肌群驅(qū)動(dòng)，且部分機(jī)器人選用能量密度大的液壓驅(qū)動(dòng)。其中，Ecci為世界首款擁有“肌肉”和“肌腱”的機(jī)器，如圖1所示［2］。CHARLI機(jī)器人，如圖2所示，全身有20個(gè)自由度，基于人體解剖學(xué)，采用模擬肌肉驅(qū)動(dòng)的線性驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)步行和打手勢(shì)［3］。

自2009年，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司為美國(guó)軍方研制了液壓驅(qū)動(dòng)雙腿式機(jī)器人Petman［4］，用于化學(xué)服測(cè)試。該機(jī)器人的預(yù)期功能為能夠自動(dòng)維持平衡和自由運(yùn)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)行走和匍匐等一系列動(dòng)作，且可模擬人體溫度濕度等真實(shí)生理功能。視頻資料顯示，機(jī)器人在跑步機(jī)上的移動(dòng)速度可達(dá)1.967m/s，且可在外界沖擊下保持運(yùn)動(dòng)平衡，具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)性能，如圖3所示。

瑞典梅拉達(dá)倫大學(xué)開發(fā)的液壓驅(qū)動(dòng)雙腿跑步機(jī)器人Dasher，機(jī)器人腿有2個(gè)液壓缸，采用MOOG比例伺服閥控制，系統(tǒng)工作壓力為10MPa，機(jī)器人足采用蹺結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)地面沖擊緩沖，如圖4所示［5］。

圖1 Ecci

圖2 CHARLI

日本本田公司的ASIMO是世界著名的雙腿式機(jī)器人［6］之一。ASIMO高1300mm，質(zhì)量為54kg，有34個(gè)自由度，采用智能化行走控制技術(shù)，可在復(fù)雜的環(huán)境下迅速并平穩(wěn)地移動(dòng)、快速步行、奔跑和迂回行走。另外，韓國(guó)［7］、法國(guó)［8］等許多國(guó)家都開展了雙腿式機(jī)器人研究。

圖3 Petman

圖4 Dasher

國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)［9］和國(guó)防科技大學(xué)［10］從20世紀(jì)80年代中期開始研究雙腿式機(jī)器人。北京理工大學(xué)研制了BRH系列機(jī)器人，并于2005年研制了BRH－02，機(jī)器人能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化調(diào)整姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)未知路面上的穩(wěn)定行走［11］。清華大學(xué)研制了THBIP系列機(jī)器人［12］，其2008年研制的 THBIP－Ⅱ，采用模塊化關(guān)節(jié)和同步帶加諧波減速器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和分布式控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為15cm、步速為0.075m/s的平地行走和穩(wěn)定的踢球動(dòng)作；哈爾濱工程大學(xué)研制了雙腿式機(jī)器人 HEUBR 1［13］。

1.2 雙腿式被動(dòng)機(jī)器人

對(duì)被動(dòng)行走系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)90年代?？的螤柎髮W(xué)研制的三維被動(dòng)雙腿式機(jī)器人［14］如圖5所示。機(jī)器人依靠與異側(cè)下肢固聯(lián)的上肢來(lái)維持平衡，可穩(wěn)定地行走于下坡斜面。2011年美國(guó)康奈爾大學(xué)研制的半被動(dòng)機(jī)器人Ranger在日本大阪機(jī)器人馬拉松比賽中成功創(chuàng)下無(wú)障礙行走65.18km的記錄，機(jī)器人質(zhì)量為5kg，單腿長(zhǎng)度為1000mm，有3個(gè)自由度（髖關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)2個(gè)），如圖6所示［15］。

圖5 康奈爾被動(dòng)

圖6 Ranger

麻省理工學(xué)院研制的被動(dòng)雙腿式機(jī)器人［16］，其特點(diǎn)為踝關(guān)節(jié)含2個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)自由度，每個(gè)髖關(guān)節(jié)各含1個(gè)自由度，為被動(dòng)關(guān)節(jié)，無(wú)膝關(guān)節(jié)，在行走過(guò)程中依靠左右搖擺避免擺動(dòng)腿提前觸地，可實(shí)現(xiàn)0.03rad坡度上的穩(wěn)定步行，利用隨機(jī)策略梯度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法能夠迅速適應(yīng)地形和坡度變化。

荷蘭代爾夫特大學(xué)研制了 Mike、Max、Denise和 Meta系列樣機(jī)［17－19］。Mike和 Max較為顯著地特點(diǎn)是采用McKibben氣動(dòng)人工肌肉，分別用于研究髖關(guān)節(jié)的主動(dòng)擺腿動(dòng)作和上體對(duì)步行穩(wěn)定的影響。Denise質(zhì)量為8kg，高1500mm，有5個(gè)自由度，其中膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)為不受控自由度，髖關(guān)節(jié)由McKibben氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)采用滑板原理被動(dòng)設(shè)計(jì)，把樣機(jī)的側(cè)傾與轉(zhuǎn)向耦合起來(lái)，不需要對(duì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的三維步行，穩(wěn)定步行速度可達(dá)0.4m/s。

國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)對(duì)雙腿式機(jī)器人的被動(dòng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，分析了行走步態(tài)規(guī)律及穩(wěn)定性［20］。清華大學(xué)等對(duì)欠驅(qū)動(dòng)步行機(jī)器人的被動(dòng)動(dòng)力學(xué)方法、半被動(dòng)雙足機(jī)器人的控制算法等進(jìn)行了研究［21］。

2 四腿式仿生機(jī)器人

四腿式仿生機(jī)器人的主要仿生原型為貓、山羊、狗和馬等小型和大型哺乳動(dòng)物，其中，具有高速、高機(jī)動(dòng)性特點(diǎn)的四腿式機(jī)器人是近幾年顯著的研究成果。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早期比較知名的有20世紀(jì)60年代美國(guó)南加州大學(xué)研制的世界第一款計(jì)算機(jī)控制四腿式機(jī)器人Phony Pony，如圖7所示，以及1968年美國(guó)通用電氣公司研制的四腿步行車Walking Truck［22］。

2.1.1 德國(guó)和意大利

德國(guó)和意大利等歐洲國(guó)家開發(fā)的四腿式機(jī)器人多以電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式為主，歐洲的瑞典皇家工學(xué)院、德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)和不萊梅大學(xué)分別研制了關(guān)節(jié)型電機(jī)驅(qū)動(dòng)四腿式機(jī)器人 WARP1［23］、BISAM［24］和空間探測(cè)機(jī)器人 ARAMIES［25］，而意大利理工學(xué)院開發(fā)的Hyq則為具有代表性的液壓驅(qū)動(dòng)四腿式機(jī)器人［26］，如圖8所示，外形尺寸為1000mm×500mm×980mm，質(zhì)量為91kg，有12個(gè)自由度（8個(gè)為液壓，4個(gè)為電動(dòng)），每個(gè)關(guān)節(jié)的角度活動(dòng)范圍為120°，設(shè)計(jì)有欠驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)和足，可實(shí)現(xiàn)平坦路面靜態(tài)步行、關(guān)節(jié)軌跡跟蹤性能測(cè)試和單腿豎直平面跳躍。

2.1.2 加拿大和美國(guó)

加拿大和美國(guó)開發(fā)的四腿式機(jī)器人較為顯著地特點(diǎn)是運(yùn)行速度高，在機(jī)器人奔跑方面取得了較為豐富的研究成果。

圖7 Phony Pony

圖8 HyQ

1996～2006 年，加拿大麥吉爾大學(xué)的科研人員研制了SCOUT系列和PAW四腿式機(jī)器人［27］，其特點(diǎn)為可實(shí)現(xiàn)奔跑運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自由度少，控制方便。SCOUTⅡ在腿設(shè)計(jì)上增加彈性元件，可實(shí)現(xiàn)步行和1.2m/s彈跳步態(tài)下的奔跑和奔跑轉(zhuǎn)向。SCOUTⅡ－K增加了欠驅(qū)動(dòng)自鎖膝關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定小跑步態(tài)，如圖9所示。PAW在SCOUTⅡ的基礎(chǔ)上對(duì)足進(jìn)行改進(jìn)，增加主動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，可實(shí)現(xiàn)輪腿或輪腿復(fù)合滾動(dòng)、奔跑和跳躍等步態(tài)，如圖10所示。

圖9 SCOUTⅡ－K

圖10 PAW

1984 至今，美國(guó)學(xué)者Raibert及其團(tuán)隊(duì)研制了動(dòng)態(tài)四腿式機(jī)器人、Bigdog和LittleDog等四腿式機(jī)器人［28－30］，其中 Bigdog實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)高速、高機(jī)動(dòng)性和高負(fù)載運(yùn)動(dòng)，為當(dāng)今最先進(jìn)的四腿式機(jī)器人，如圖11所示。1984～1987年，Raibert在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制了動(dòng)態(tài)四腿式機(jī)器人，外形尺寸為1050mm×350mm×950mm，機(jī)體質(zhì)量為25.2kg，由液壓驅(qū)動(dòng)，利用單腿算法、有限狀態(tài)機(jī)和虛擬腿等控制方法，實(shí)現(xiàn)小跑、跳躍和步態(tài)轉(zhuǎn)換，小跑步態(tài)速度可達(dá)1.0m/s。2004年和2008年，Raibert領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制了兩代四腿式機(jī)器人BigDog。最新的BigDog尺寸為1100mm×300mm×1000mm，質(zhì)量為109kg；機(jī)載系統(tǒng)可提供動(dòng)力、感知、驅(qū)動(dòng)、控制和通信等功能，動(dòng)力源采用水冷兩沖程內(nèi)燃機(jī)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓泵—液壓缸的驅(qū)動(dòng)鏈，由人通過(guò)無(wú)線控制以對(duì)角步態(tài)行走，機(jī)器人集成了雙目立體視覺系統(tǒng)用于獲取三維地形信息，并利用激光雷達(dá)進(jìn)行無(wú)連續(xù)操作跟蹤引導(dǎo)；機(jī)器人基于運(yùn)動(dòng)和足底地面反力進(jìn)行控制，通過(guò)地形感知和姿態(tài)控制來(lái)控制身體高度、方向或落腳位置以適應(yīng)地形變化；能完成機(jī)器人起立、蹲下、以0.2m/s的速度爬行，1.6m/s的速度小跑，2m/s的速度奔跑，跳跑最高速度可達(dá)3.1m/s，負(fù)重可達(dá)154kg，續(xù)駛時(shí)程達(dá)2.5h、1010km，可爬越35°的松軟卵石表面斜坡和以爬行步態(tài)翻越模擬瓦礫堆，實(shí)現(xiàn)冰雪泥濘沙石的復(fù)雜路面穩(wěn)定行走；此外，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司于2010年研制了用于研究動(dòng)態(tài)控制、復(fù)雜地形感知和運(yùn)動(dòng)行為關(guān)聯(lián)的通用四腿式機(jī)器人LittleDog。

美國(guó)斯坦福大學(xué)開發(fā)了用于測(cè)試的7m/s疾馳的四腿式機(jī)器人KOLT［31］，如圖12所示，以大山羊?yàn)榉律鷮?duì)象，每條腿有3個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)主動(dòng)自由度，單腿最高速度可達(dá)4.5m/s，可在跑步機(jī)上實(shí)現(xiàn)1.1m/s小跑。

圖11 BigDog

圖12 KLOT

2.1.3 日本和韓國(guó)

日本和韓國(guó)四腿式機(jī)器人的特點(diǎn)為可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，且在機(jī)構(gòu)柔性設(shè)計(jì)、類肌群驅(qū)動(dòng)和新型驅(qū)動(dòng)器方面具有特色。

從1976年起，日本東京工業(yè)大學(xué)的科研人員先后研制了四腿式機(jī)器人KUMO－Ⅰ（1976）、PV－Ⅱ（1978～1979）和TITAN系列四腿式機(jī)器人［32］（1981～2004）。其中，TITAN－Ⅺ可用于大型工程施工中，在混凝土斜坡上運(yùn)行和控制鉆錨。

1999 年，日本東京大學(xué)研制了柔性脊柱和肌腱驅(qū)動(dòng)四腿式機(jī)器人SQ43，如圖13所示，利用柔性脊柱可實(shí)現(xiàn)減震和通過(guò)狹窄空間［33］。

2011 年，日本東京大學(xué)開發(fā)了四腿骨骼肌肉機(jī)器人PIGORASS，如圖14所示，重量為4.0kg，總長(zhǎng)為350mm，采用ABS樹脂和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等制成，機(jī)器人前腿為2段式、后腿為3段式，共有10個(gè)自由度，由McKibben氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)，可在0.2s內(nèi)跳躍0.03m 高和以0.48m/s的速度疾馳［34］。

圖13 SQ43

圖14 PIGORASSt

2004～2007 年，Hiroshi Kimura在日本電氣通信大學(xué)開發(fā)了地形自適應(yīng)機(jī)器人TekkenⅠ－Ⅳ。TekkenⅢ為自攜動(dòng)力自主導(dǎo)航機(jī)器人，質(zhì)量為10kg，采用60W直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)俯仰髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)，基于DIMM－PC的CCD攝像機(jī)和激光測(cè)距儀進(jìn)行導(dǎo)航，步行速度達(dá)0.7m/s。2010年，Hiroshi Kimura又開發(fā)了圖15所示的三段式腿結(jié)構(gòu)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)機(jī)器人 Kotetsu［35］。

2003～2009 年，東京理科大學(xué)研制了奔跑機(jī)器人Rush，其可實(shí)現(xiàn)站立到跳躍步態(tài)轉(zhuǎn)換和多種路面奔跑，其可以0.9m/s的速度跳躍奔跑，且可跑上20mm高的平臺(tái)［36］，在結(jié)構(gòu)上與加拿大的SCOUT機(jī)器人較為相近。

2007 年至今，韓國(guó)成均館大學(xué)研制了AiDIN系列機(jī)器人，圖16所示為AiDIN3機(jī)器人。AiDIN1機(jī)器人腿有3個(gè)主動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是選用彈性環(huán)節(jié)和膝關(guān)節(jié)離合器等分別實(shí)現(xiàn)沖擊緩沖和主動(dòng)欠驅(qū)動(dòng)切換，可實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)平板上自身姿態(tài)調(diào)整和0.2m/s小跑步態(tài)［37－38］，主動(dòng)欠驅(qū)動(dòng)切換為其顯著特點(diǎn)。

圖15 Kotetsu

圖16 AiDIN3

2005和2007 年，韓國(guó)慶北大學(xué)研制了含有腰關(guān)節(jié)的ELIRO系列機(jī)器人和SMA驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，圖17所示為SMA驅(qū)動(dòng)四腿式機(jī)器人。ELIRO－Ⅱ采用齒輪直流電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、CMOS視覺采集，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)尋找和捕捉［39－41］，其顯著特點(diǎn)為腰關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。

2008 年，韓國(guó)工業(yè)技術(shù)研究院開發(fā)了液壓驅(qū)動(dòng)四腿機(jī)器人qRT－1及其試驗(yàn)平臺(tái)qRT－2，其中qRT－2為兩輪兩腿前驅(qū)裝置，外形尺寸為1000mm×500mm×1000mm，重量為60kg，每條腿有3個(gè)主動(dòng)自由度，可實(shí)現(xiàn)1.3m/s結(jié)構(gòu)化路面對(duì)角步態(tài)、20°斜坡和0.7m/s非結(jié)構(gòu)化路面行走，有效載荷為40kg，如圖18所示［42］。

圖17 SMA驅(qū)動(dòng)機(jī)器人

圖18 qRT－2

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)四腿式機(jī)器人和多腿式機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，而液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人則是近幾年較為重要的研究成果。早期的多腿式機(jī)器人為1988年中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所開發(fā)的“海蟹號(hào)”六腿機(jī)器人，如圖19所示［43］。

2003 年，清華大學(xué)研制了Biosbot機(jī)器人［44］，其特點(diǎn)是采用CPG控制策略；速度可達(dá)到0.13～0.24m/s，可實(shí)現(xiàn)慢走、對(duì)角小跑兩種步態(tài)和步態(tài)相互轉(zhuǎn)換，可完成10°上下坡，跨越20mm高度障礙，具有膝肘組合多種運(yùn)動(dòng)模式。

2007 年，中科院合肥智能機(jī)械研究所研制了TIM－1機(jī)器人。該機(jī)器人有12個(gè)主動(dòng)自由度，其中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)各1個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)為欠驅(qū)動(dòng)自由度，由彈簧構(gòu)成緩沖系統(tǒng)以適應(yīng)地形；安裝有控制姿態(tài)的傾斜計(jì)和足底開關(guān)等；通過(guò)CPG＋FNN產(chǎn)生周期步態(tài)和進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制［45］。

2008 年，西北工業(yè)大學(xué)研制了兩款四腿式機(jī)器人［46－47］，圖20所示為第二款。第一款機(jī)器人采用框架式機(jī)體結(jié)構(gòu)，其顯著特點(diǎn)是設(shè)計(jì)有實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走的重心調(diào)整裝置。第二款機(jī)器人可在2m×1m且坡度為10°的實(shí)驗(yàn)坡上上下坡穩(wěn)定行走。

圖19 TIM－1

圖20 西北工業(yè)大學(xué)研制的機(jī)器人

2010 年，山東大學(xué)研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)四腿式機(jī)器人，視頻顯示可實(shí)現(xiàn)快速小跑和載人步行，如圖21所示［48］。

南京航空航天大學(xué)研制的液壓驅(qū)動(dòng)四腿式機(jī)器人，如圖22所示，其特點(diǎn)為液壓驅(qū)動(dòng)的四腿機(jī)器人關(guān)節(jié)采用了基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)［49］。

圖21 山東大學(xué)研制的機(jī)器人

圖22 南京航空航天大學(xué)研制的機(jī)器人

3 主要研究問(wèn)題和方法

3.1 機(jī)器人腿結(jié)構(gòu)

腿式機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，根據(jù)腿部機(jī)構(gòu)中組成運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件是否構(gòu)成首尾相連的封閉系統(tǒng)，可分為開鏈?zhǔn)胶烷]鏈?zhǔn)?。類哺乳?dòng)物生物腿的多段式腿結(jié)構(gòu)、復(fù)合彈性腿及相配合的柔性機(jī)體和機(jī)體自由度等是重要的研究成果，且并聯(lián)式腿機(jī)構(gòu)憑借其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，成為研究熱點(diǎn)。

開鏈?zhǔn)蕉酁殛P(guān)節(jié)型式，其特點(diǎn)是自由度較多，末端運(yùn)動(dòng)軌跡多樣，有橫擺和縱擺兩種運(yùn)動(dòng)形式，其中橫擺運(yùn)動(dòng)形式多見于大型四腿工程機(jī)器人，如日本東京工業(yè)大學(xué)的TITAN系列機(jī)器人，而縱擺運(yùn)動(dòng)類型則多見于快速運(yùn)動(dòng)的小型腿式機(jī)器人，而在四腿式機(jī)器人領(lǐng)域，更加符合仿生學(xué)的三段式腿結(jié)構(gòu)是新出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式，如美國(guó)波士頓動(dòng)力公司的BigDog、日本東京工業(yè)大學(xué)的Kotetsu和日本東京大學(xué)的PIGORASS等，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)多種膝肘組合運(yùn)動(dòng)，其不足為隨著自由度的增加會(huì)出現(xiàn)冗余控制等問(wèn)題。

閉鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)常見于早期研制的樣機(jī)，多以四連桿及其衍生形式和框架式等形式出現(xiàn)，日本東京工業(yè)大學(xué)的TITAN系列機(jī)器人即是采用四連桿形式的機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是可運(yùn)動(dòng)解耦，末端可產(chǎn)生近似直線運(yùn)動(dòng)，不足是易出現(xiàn)死點(diǎn)?？蚣苁嚼枚鄬涌蚣苁綑C(jī)架之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)或原地轉(zhuǎn)動(dòng)，具有間歇運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，圖23所示為美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的具備該特點(diǎn)的框架式行星探測(cè)機(jī)器人Daedulus［50］。

并聯(lián)式腿機(jī)構(gòu)是一類特殊的閉鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)，可含有一個(gè)或多個(gè)封閉運(yùn)動(dòng)鏈，區(qū)別于前述機(jī)構(gòu)的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，具有并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，且具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性和載重/自重比等，適合于高負(fù)載低速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。圖24所示為日本早稻田大學(xué)研制的并聯(lián)式腿機(jī)器人 WL－16RIV［51］。

圖23 Daedulus

圖24 WL－16RIV

對(duì)類哺乳動(dòng)物仿生機(jī)器人而言，腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其是高速高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的觸地沖擊的柔順性設(shè)計(jì)是研究難點(diǎn)，復(fù)合彈性腿和配合關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)體等是針對(duì)上述問(wèn)題研究取得的較為重要的研究成果。如日本大阪大學(xué)的SQ43機(jī)器人和韓國(guó)慶北大學(xué)的ELIRO機(jī)器人，都是利用柔性脊柱和腰關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)體靈活運(yùn)動(dòng)的例子，與上述研究同步，生物力學(xué)研究成果表明，生物腿部肌肉、膝關(guān)節(jié)半月板等具有較好的觸地沖擊緩沖特性，因此，基于仿生學(xué)開展機(jī)器人腿部肌肉柔性機(jī)理研究與設(shè)計(jì)將是新的研究方向。

3.2 機(jī)器人腿關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)形式

腿式機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和人工肌肉驅(qū)動(dòng)等，其中具有高負(fù)載能力的液壓驅(qū)動(dòng)及基于生物肌肉布置形式的仿肌肉肌群結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)是研究熱點(diǎn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要大力矩高增益的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，且機(jī)器人運(yùn)動(dòng)需要多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制，由此帶來(lái)復(fù)雜度高、能量效率低和運(yùn)動(dòng)性能受限等缺點(diǎn)，可采用RV減速器、稀土永磁電機(jī)、超聲電機(jī)或球形電機(jī)等克服傳動(dòng)鏈長(zhǎng)的問(wèn)題。

液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)為響應(yīng)速度高、負(fù)載能力強(qiáng)等，廣泛應(yīng)用于快速運(yùn)動(dòng)和高負(fù)載領(lǐng)域。著名的有美國(guó)波士頓動(dòng)力公司開發(fā)的BigDog及Petman、瑞典梅拉達(dá)倫大學(xué)的Dasher、意大利理工大學(xué)的HyQ、韓國(guó)工業(yè)技術(shù)研究院的qRT－1和我國(guó)山東大學(xué)研制的液壓驅(qū)動(dòng)四腿式機(jī)器人。

人工肌肉驅(qū)動(dòng)的研究旨在研究和開發(fā)更接近生物肌肉特性的仿生材料及驅(qū)動(dòng)裝置，目前研究較為活躍的人工肌肉分別是形狀記憶合金（SMA）、壓電陶瓷（PZT）和氣動(dòng)人工肌肉（PMA）等。圖14為日本東京大學(xué)開發(fā)的氣動(dòng)人工肌肉四腿式機(jī)器人PIGORASS。圖17為韓國(guó)慶北大學(xué)研制的可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行的SMA驅(qū)動(dòng)四腿式機(jī)器人。SMA驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、位移量小和壽命短等；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)是成本高；氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)在于高精度控制困難。

同時(shí)，附帶彈性環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種新型的耦合驅(qū)動(dòng)形式，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司的Big－Dog、日本東京理科大學(xué)的Rush和加拿大的PAW均采用這種方案，其特點(diǎn)在于提高柔性，改善著地阻抗控制等。日本的Tekken和瑞典的Dasher則采用蹺結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)能量吸收與釋放；另外一種新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為類肌群驅(qū)動(dòng)，如瑞士蘇黎世大學(xué)開發(fā)的肌肉肌腱機(jī)器人Ecci、美國(guó)弗尼吉亞理工大學(xué)肌肉驅(qū)動(dòng)雙腿式機(jī)器人CHARLI和日本東京大學(xué)開發(fā)的氣動(dòng)人工肌肉四腿式機(jī)器人PIGORASS等均為類肌群驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。

3.3 導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)現(xiàn)腿式機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)的重要保障，而立體視覺技術(shù)是機(jī)器人導(dǎo)航的主要方法。

具體實(shí)例如：文獻(xiàn)［6］中的ASIMO通過(guò)視覺傳感器對(duì)多個(gè)移動(dòng)體進(jìn)行辨別，并判斷出相互間的距離和方向，從而避免碰撞并繞行。文獻(xiàn)［24］中的BISAM采用雙目立體視覺系統(tǒng)和光學(xué)三角法測(cè)量導(dǎo)航定位。文獻(xiàn)［29］中的BigDog采用美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（jet propulsion laboratory）的立體視覺系統(tǒng)，集成了雙目立體視覺系統(tǒng)用于獲取3D地形信息和路徑查找。文獻(xiàn)［52］中的TekkenⅢ自攜動(dòng)力自主導(dǎo)航機(jī)器人，采用基于DIMM－PC的CCD攝像機(jī)和激光測(cè)距儀進(jìn)行導(dǎo)航。文獻(xiàn)［37］中的AiDIN利用CCD傳感器進(jìn)行視覺采集。文獻(xiàn)［46］中的ELIRO采用CMOS攝像頭進(jìn)行視覺采集，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)尋找、捕捉和拾取［41］等。

3.4 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定控制判據(jù)

穩(wěn)定性分析是機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，穩(wěn)定性判據(jù)主要有零力矩點(diǎn)［53］、穩(wěn)定裕度［54］、龐加萊映射判據(jù)和足部旋轉(zhuǎn)指示［55］等。

零力矩點(diǎn)（zero moment point，ZMP）最早是1938年Elftman在研究人的生物力學(xué)時(shí)提出的，1969年Vakobratovic將ZMP引入步行機(jī)器人領(lǐng)域［53］。此后，ZMP理論進(jìn)一步完善和發(fā)展，成為腿式機(jī)器人研究領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的穩(wěn)定性判據(jù)。其核心思想是要確保支撐相內(nèi)機(jī)器人與地面完全接觸，使得各個(gè)自由度直接可控，避免出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的情形。2004年，Vakobratovic又對(duì)ZMP做了補(bǔ)充，提出虛擬零力矩點(diǎn)（fictitious zero moment point，F(xiàn)ZMP）的概念。ZMP判據(jù)通過(guò)描述約束來(lái)間接反映靜態(tài)和動(dòng)態(tài)步行的平衡性，將支撐約束運(yùn)動(dòng)范圍縮小，但對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)解釋較為困難。

穩(wěn)定裕度（stability margin，SM）是 McGhee和Frank于1968年首次提出的，其定義為機(jī)器人重心在足支撐平面上的垂直投影點(diǎn)到各足支撐點(diǎn)構(gòu)成的多邊形各邊的最短距離，但穩(wěn)定裕度僅適用于機(jī)器人水平面運(yùn)動(dòng)［54］。

龐加 萊 回 歸 映 射 （Poincare return map，PRM）是研究周期性運(yùn)動(dòng)存在和穩(wěn)定性的重要工具，而極限環(huán)是龐加萊回歸映射上的不動(dòng)點(diǎn)。理想狀態(tài)下，機(jī)器人質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡具有周期性，在狀態(tài)空間表現(xiàn)為極限環(huán)，因而腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究可簡(jiǎn)化為對(duì)龐加萊映射極限環(huán)的穩(wěn)定性研究［56］。

針對(duì)雙腿式機(jī)器人，文獻(xiàn)［57］在分析ZMP判據(jù)和龐加萊回歸映射判據(jù)的基礎(chǔ)上，提出截面映射（section－map）穩(wěn)定性理論。

3.5 控制算法

3.5.1 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法主要有基于生物運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的規(guī)劃方法、基于ZMP幾何約束的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法和狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法等，而區(qū)別于離線規(guī)劃加在線修正的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是研究熱點(diǎn)。

19世紀(jì)末，Muybridge用連續(xù)攝影的方法研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)步態(tài)，20世紀(jì)60年代末，McGhee在總結(jié)前人對(duì)動(dòng)物步態(tài)研究成果的基礎(chǔ)上，比較系統(tǒng)地給出了一系列描述和分析步態(tài)的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義，為步態(tài)的分析研究奠定了比較完整的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)［58］。借助運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和生物運(yùn)動(dòng)研究運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并由關(guān)節(jié)控制器伺服跟蹤期望軌跡，是一種常用的方法，但該方法易導(dǎo)致機(jī)器人在路面環(huán)境變化和外力干擾條件下出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，而動(dòng)態(tài)步態(tài)規(guī)劃及實(shí)時(shí)軌跡生成則是有效的解決方案。

基于ZMP幾何約束的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法等價(jià)于產(chǎn)生滿足這一約束條件的步行規(guī)劃問(wèn)題，基本思路有兩種，可通過(guò)先設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡再確定ZMP軌跡的方法設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，也可以通過(guò)先設(shè)計(jì)理想的ZMP軌跡再確定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定各部分關(guān)節(jié)軌跡。本田的仿人機(jī)器人基于ZMP穩(wěn)定判據(jù)的幾何約束法進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃［59］。

狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法的基本思想是考慮運(yùn)動(dòng)的起始和終止?fàn)顟B(tài)，將狀態(tài)之間相互連接形成狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)，以應(yīng)對(duì)預(yù)先軌跡規(guī)劃方法在運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性和靈活性方面的欠缺。

3.5.2 運(yùn)動(dòng)控制

多腿協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制是腿式仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要有模型控制［60］和仿生控制［61－63］等，而基于逆動(dòng)力學(xué)模型控制、神經(jīng)CPG分層控制和新型CPG模型的構(gòu)建是重要的研究成果。

模型控制首先對(duì)機(jī)器人及環(huán)境進(jìn)行建模，然后規(guī)劃出最佳運(yùn)動(dòng)軌跡，再利用反饋機(jī)制控制實(shí)際運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)盡可能趨近理想軌跡，該方法利用機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行控制，但僅對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)控制有效，當(dāng)機(jī)器人自由度增加或出現(xiàn)多自由度協(xié)調(diào)控制等復(fù)雜行為時(shí)，就難以解決。針對(duì)機(jī)器人與環(huán)境的交互變化約束，文獻(xiàn)［60］提出正交分解的浮基機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)模型控制，通過(guò)計(jì)算環(huán)境接觸逆動(dòng)力學(xué)力矩用于模型控制，以提高控制柔順性。

仿生運(yùn)動(dòng)控制可分為行為控制方法和節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制方法。行為控制方法，通過(guò)對(duì)昆蟲智能進(jìn)行仿生，利用昆蟲自身沒有存貯、規(guī)劃、控制全身各部分運(yùn)動(dòng)的中心控制系統(tǒng)，但其身體各部分卻可對(duì)內(nèi)部指令或外界刺激做出不同反應(yīng)的機(jī)理，提出的自組織復(fù)雜行為實(shí)現(xiàn)控制方法，以提高環(huán)境適應(yīng)性。節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制是通過(guò)對(duì)動(dòng)物節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理的模擬，將中樞模式發(fā)生器、高層控制中樞、反射調(diào)節(jié)系統(tǒng)等生物控制機(jī)理應(yīng)用于機(jī)器人控制，提高機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性，使機(jī)器人具有更加貼近動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)能力［35－36，44］。文獻(xiàn)［62］基于策略梯度，將強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制引入到CPG控制，對(duì)CPG控制器進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙腿運(yùn)動(dòng)信息的自動(dòng)獲取。意大利Arena研究組將分層結(jié)構(gòu)引入CPG控制，構(gòu)建了兩層CNN－CPG控制模型，分析運(yùn)動(dòng)步態(tài)的生成和控制，根據(jù)環(huán)境條件的變化對(duì)步態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，其中，高層控制應(yīng)用于自組織電機(jī)脈譜并基于激勵(lì)函數(shù)對(duì)樣條步態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，低層細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于運(yùn)動(dòng)生成［63］。文獻(xiàn)［64］將傅里葉級(jí)數(shù)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到CPG模型，構(gòu)建仿生控制器，不僅可以產(chǎn)生帶極限環(huán)的穩(wěn)定四足步態(tài)，而且可以任意波形調(diào)整輸出周期。文獻(xiàn)［65］利用耦合霍普夫振子進(jìn)行CPG設(shè)計(jì)，產(chǎn)生全方位運(yùn)動(dòng)所需的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

3.5.3 抗干擾姿態(tài)控制

抗干擾姿態(tài)控制面向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要承受的路面不平整、碰撞和打滑等結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)干擾，對(duì)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)失效或摔倒等進(jìn)行控制，常用方法為ZMP補(bǔ)償控制。

文獻(xiàn)［16］采用隨機(jī)策略梯度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，使機(jī)器人學(xué)習(xí)不同地形和坡度下的步態(tài)，并迅速適應(yīng)地形和坡度變化，實(shí)現(xiàn)快速收斂。文獻(xiàn)［29］中的BigDog通過(guò)調(diào)整機(jī)體高度和姿態(tài)或通過(guò)調(diào)整落腳位置兩種方式適應(yīng)地形變化，機(jī)器人爬坡時(shí)，機(jī)體前傾，下坡時(shí)，機(jī)體后傾，并在沿輪廓線運(yùn)動(dòng)時(shí)保持機(jī)體側(cè)身。文獻(xiàn)［66］通過(guò)地面反力控制、模型ZMP控制和落腳位置控制等實(shí)現(xiàn)，主動(dòng)控制理想ZMP和實(shí)際地面反作用力中心間的距離來(lái)控制產(chǎn)生反向翻轉(zhuǎn)力矩以對(duì)機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行控制，其中，地面反力控制通過(guò)修正腳的期望位置和姿態(tài)以控制實(shí)際地面反力中心位置，模型ZMP控制通過(guò)改變理想機(jī)體軌跡以控制理想ZMP到合適位置，而落腳位置控制通過(guò)修正軀體和腳的位置與姿態(tài)，以修復(fù)模型ZMP控制出現(xiàn)的軀體和腳的位置與姿態(tài)偏離理想狀態(tài)的情況。文獻(xiàn)［67］將預(yù)測(cè)控制應(yīng)用到ZMP目標(biāo)跟蹤，提出利用預(yù)測(cè)控制將外界干擾力的碰撞時(shí)間信息描述為重心的速度擾動(dòng)以生成支撐運(yùn)動(dòng)來(lái)控制期望重心軌跡，從而減小外界沖擊時(shí)刻的ZMP誤差。

4 存在的問(wèn)題

綜合分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以看出類哺乳動(dòng)物腿式仿生機(jī)器人的研究取得了較豐富的成果，尤其是在近幾年中更是取得了很大的進(jìn)步，但是隨著人們對(duì)速度、機(jī)動(dòng)性、負(fù)載能力和環(huán)境適應(yīng)性等提出越來(lái)越高的要求，類哺乳動(dòng)物腿式仿生機(jī)器人仍面臨許多有待解決的問(wèn)題：

（1）抗沖擊仿生設(shè)計(jì)。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不可避免地會(huì)受到地面沖擊，尤其是高速高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下嚴(yán)重的地面沖擊將導(dǎo)致整機(jī)傾覆和運(yùn)動(dòng)失效，而哺乳動(dòng)物在自然進(jìn)化過(guò)程中形成了優(yōu)良的生物骨骼肌肉力學(xué)特性，如何從生物力學(xué)出發(fā)，模擬骨骼－肌肉力學(xué)特性、生物韌帶、膝關(guān)節(jié)半月板等緩沖保護(hù)特性，對(duì)柔性機(jī)體、彈性腿和柔性足等關(guān)鍵部位進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)是需要研究的問(wèn)題。

（2）高負(fù)載驅(qū)動(dòng)技術(shù)。高能量密度的液壓驅(qū)動(dòng)極大地提高了腿式機(jī)器人的負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)能力，但高輕質(zhì)液壓元件設(shè)計(jì)制造與控制及集成是液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人開發(fā)過(guò)程中的一個(gè)瓶頸；并且從骨骼肌肉肌群結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究高能效類生物骨骼肌肉集成驅(qū)動(dòng)也是研究難點(diǎn)。

（3）自主導(dǎo)航技術(shù)。自主運(yùn)動(dòng)是腿式仿生機(jī)器人發(fā)展的必然要求，視覺技術(shù)是腿式仿生機(jī)器人智能自主化的關(guān)鍵，要解決這個(gè)問(wèn)題就需要研究機(jī)器人視覺系統(tǒng)與立體視覺測(cè)程，在機(jī)器視覺、圖形圖像算法處理方面增強(qiáng)實(shí)時(shí)性和智能性。

（4）控制理論與算法。腿式仿生機(jī)器人的研究不僅僅局限于樣機(jī)研制，重要的是穩(wěn)定性判據(jù)和步態(tài)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制與姿態(tài)控制算法等基礎(chǔ)理論的突破，尤其是高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、規(guī)劃與控制更是需要解決的問(wèn)題。

（5）主被動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并非所有關(guān)節(jié)都為主動(dòng)關(guān)節(jié)，如何借鑒腿式被動(dòng)機(jī)器人研究成果，研究各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的主動(dòng)被動(dòng)分離與合成，提高能量利用率，開發(fā)高能效機(jī)器人亦是研究難點(diǎn)。

（6）能源自給技術(shù)問(wèn)題?？沙掷m(xù)能源供應(yīng)問(wèn)題是制約腿式機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間工作的一個(gè)瓶頸，因此，需要研究腿式機(jī)器人高可靠能源裝置與可持續(xù)能源自給技術(shù)。

5 展望

通過(guò)對(duì)類哺乳動(dòng)物腿式仿生機(jī)器人國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的介紹和相關(guān)理論及方法分析，結(jié)合仿生機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以預(yù)見類哺乳動(dòng)物腿式仿生機(jī)器人還要在以下幾個(gè)方面有所改進(jìn)：

（1）非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的柔性液壓驅(qū)動(dòng)。非機(jī)構(gòu)化環(huán)境下的快速動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)是腿式仿生機(jī)器人優(yōu)良運(yùn)動(dòng)的重要實(shí)現(xiàn)形式，而高能量密度的液壓驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)高負(fù)載能力和擺動(dòng)頻率的重要途徑，因此，液壓驅(qū)動(dòng)是研究方向之一，同時(shí)，配合液壓驅(qū)動(dòng)的智能化柔性環(huán)節(jié)集成、輕量化復(fù)合材料液壓驅(qū)動(dòng)元件及控制亦將是需要解決的問(wèn)題；

（2）仿肌群結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。生物肌肉在瞬間爆發(fā)、吸震緩沖、能量密度等方面具有優(yōu)良的特性，基于生物解剖學(xué)與骨骼肌肌小節(jié)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)生物力學(xué)特性和生物神經(jīng)控制，研究類生物骨骼肌肉模擬集成、類肌群直接驅(qū)動(dòng)和類神經(jīng)控制技術(shù)，將大大提高腿式仿生機(jī)器人的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和強(qiáng)度等。

（3）自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)。非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的內(nèi)在特性制約了腿式仿生機(jī)器人的模型控制，而視覺技術(shù)是腿式仿生機(jī)器人克服環(huán)境制約的重要研究途徑之一，因而，利用立體視覺技術(shù)提高非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下機(jī)器人的智能化和自主化是腿式仿生機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從類哺乳動(dòng)物雙腿式機(jī)器人和四腿式機(jī)器人兩個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外腿式仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，分析和討論了相關(guān)理論與方法及存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

總體上說(shuō)，類哺乳動(dòng)物腿式機(jī)器人朝著高速、高機(jī)動(dòng)、高負(fù)載、高自主化和高適應(yīng)性的方向發(fā)展，其中，美國(guó)在這方面的研究處于領(lǐng)先位置。與此同時(shí)，基于生物力學(xué)的仿肌群串并聯(lián)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)也將成為一個(gè)新的研究方向。

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