陳斯琴，李思瑤※，魯志剛,2，國忠義，解自國

（1.云南航天工業(yè)有限公司，昆明 650217；2.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)機(jī)器人的研究已經(jīng)不再局限于定點環(huán)境的應(yīng)用，而是逐漸向太空探測、海底資源開發(fā)、災(zāi)害現(xiàn)場搜救、軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)展[1-2]。由于需要適應(yīng)多種不同領(lǐng)域及地勢環(huán)境，足式機(jī)器人相較于履帶式和輪式機(jī)器人的優(yōu)勢日益凸顯[3-4]。

不僅能在移動過程中自由選擇支撐點，還能隨時進(jìn)行自身的姿態(tài)調(diào)整以保持機(jī)身穩(wěn)定[5]，因此能夠在實際應(yīng)用中顯示出較好的機(jī)動性與靈活性[6-8]。以昆蟲作為仿真對象的足式機(jī)器人是足式機(jī)器人最基本的形式之一，根據(jù)其腿部的數(shù)量可分為單足、雙足、四足、六足、八足等，其中六足機(jī)器人以較好的穩(wěn)定性、靈活性與承載能力以及相較于八足機(jī)器人更為簡單的結(jié)構(gòu)，成為了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下工作的最優(yōu)機(jī)器人構(gòu)型[9-10]。

針對六足機(jī)器人，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在結(jié)構(gòu)仿真、步態(tài)規(guī)劃、足部之間協(xié)調(diào)控制等方面取得了突破性的研究進(jìn)展，也研制出了適應(yīng)不同工作條件的六足機(jī)器人，初步實現(xiàn)了六足機(jī)器人的仿生運(yùn)動。但現(xiàn)階段，有關(guān)六足機(jī)器人的研制仍存在諸多問題需要攻關(guān)，例如：現(xiàn)階段六足機(jī)器人行走過于機(jī)械，并不能完成復(fù)雜的仿生運(yùn)動，對于地形的適應(yīng)能力不足等。為此，本文在簡要介紹六足機(jī)器人研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，著重調(diào)研其關(guān)鍵技術(shù)，旨在為六足機(jī)器人后續(xù)研究做相關(guān)理論支撐。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，國外研究機(jī)構(gòu)開始關(guān)注六足機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)。最初為了進(jìn)行人機(jī)交互的研究，羅馬大學(xué)Petternela 等人研發(fā)了首款電動六足機(jī)器人。同樣誕生于20世紀(jì)60年代初的仿生學(xué)（Bion-ics），是生物科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的一門學(xué)科，通過學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理等來改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過程?，F(xiàn)代仿生學(xué)已經(jīng)延伸到很多領(lǐng)域，機(jī)器人學(xué)是其主要的結(jié)合和應(yīng)用領(lǐng)域之一，這方面的研究引起各國相關(guān)研究人員和專家的極大興趣和關(guān)注，取得了大量可喜成果和積極進(jìn)展[11]。通過模擬自然界中昆蟲的行走及轉(zhuǎn)向方式，美國俄亥俄州立大學(xué)Robert MC Ghee等[12]設(shè)計出了全球首款仿生六足機(jī)器人OSU Hexapod。而基于仿真六足動物的機(jī)器人還有Tarry[13]系列機(jī)器人，Robot[14]系列、TUM[15-16]機(jī)器人等，其中以竹節(jié)蟲為仿生對象，科學(xué)家們研制出在崎嶇地形下具有綜合步行能力的機(jī)器人Hamlet[17]。如圖1所示。

圖1 機(jī)器人Hamlet

隨著星球勘探技術(shù)的研究深入，一批以星球探測及物資輸運(yùn)為目的機(jī)器人也相繼被科學(xué)家們研制誕生。其中，早期的有于1989年研制的機(jī)器人Genghis[18]及1990年誕生的AMBLER[19]六足星球探測機(jī)器人。其中Genghis也是全球第一個智能化的仿昆蟲機(jī)器人，其腿部具有2個自由度，通過足端的6 個腳力傳感器和2 個觸覺傳感器，該機(jī)器人可以實現(xiàn)崎嶇路面上的自主學(xué)習(xí)，具備一定的越障能力。

迄今為止較先進(jìn)的六足機(jī)器人為隸屬美國太空總署（NASA）的噴氣動力實驗室（JPL）研制的ATHLETE 以及由德國宇航中心（DLR）在DLR-HandⅡ基礎(chǔ)上改進(jìn)的可搭載于大型移動設(shè)備的微小型六足機(jī)器人DLRCrawler。如圖2所示。ATHLETE 主要用于為登月人員進(jìn)行物質(zhì)輸運(yùn)工作，完成指定勘察探測任務(wù)。該機(jī)器人為輪腿構(gòu)型，有較好的地形通過能力，整體結(jié)構(gòu)為正六邊形，機(jī)體的每一個拐角處布置一條腿，車輪在腿末端，對于不同的作業(yè)情況可以對操作腿末端進(jìn)行更換。如圖3所示。機(jī)器人DLR-Crawler用高集成度的DLR機(jī)械手指作為腿部系統(tǒng)，減小了體積和重量，其腿部集成有完備的傳感器系統(tǒng)，軀干裝備有加速度計和陀螺儀以及雙目視覺機(jī)構(gòu)進(jìn)行局部路徑規(guī)劃。目前，DLR-Crawler 為集成度最高的一款機(jī)器人[20-21]。

圖2 機(jī)器人ATHLETE

圖3 機(jī)器人DLR-Crawler

21世紀(jì)初，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)災(zāi)害現(xiàn)場搜救、軍事偵察等領(lǐng)域機(jī)器人的研究也有了長足的發(fā)展。日本千葉大學(xué)研制出一款適用于野外排雷、搶險救災(zāi)場景的機(jī)器人COMET。如圖4所示。COMET腿部關(guān)節(jié)采用液壓驅(qū)動方式，為了使其具有良好的承載能力，每條腿由三個自由度組成。該機(jī)器人現(xiàn)已研制出四代，COMET-Ⅳ為最新款[22]。日本大阪大學(xué)工程科技研究所研制了一款基于已知模型且能夠用于災(zāi)害搜救和隧道頂部檢查的綜合性機(jī)器人Asterisk。如圖5所示。該機(jī)器人的軀干為圓形，肢體呈中心對稱分布，每條腿由舵機(jī)驅(qū)動且有4 個旋轉(zhuǎn)自由度，足端置三維力傳感器，軀干裝三軸加速度計和兩軸陀螺儀[23]。

圖4 機(jī)器人COMET

圖5 機(jī)器人Asterisk

此外，21世紀(jì)初期誕生的Lauron Ⅳ[24]城市救援系列機(jī)器人、SIL-06[25]野外監(jiān)測及排殺傷性地雷機(jī)器人、用于探測地形的Spider-bot 等都為后期作戰(zhàn)及搶險救災(zāi)類機(jī)器人的研究奠定了基礎(chǔ)。

除了使六足機(jī)器人具有良好的承載能力之外，提高其運(yùn)動能力以及輕量化設(shè)計也是六足機(jī)器人研究的重點和熱點。C形腿六足機(jī)器人RHex[26-28]為其中的典型代表，在具有良好的地形適應(yīng)性的同時還能保證較快的行進(jìn)速度，能夠很好地完成戰(zhàn)場偵察的工作。如圖6所示。其腿部僅有1 個自由度且具有柔順性，由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良，很快就引起了關(guān)注，同時RHex 的出現(xiàn)也改變了人們對于六足機(jī)器人笨重、低效的認(rèn)知，也為后續(xù)的六足機(jī)器人的開發(fā)和研制提供了新的思路。ScienceParrot 團(tuán)隊于2019年在RHex 的基礎(chǔ)上設(shè)計研發(fā)了新版本T-RHex，如圖7所示。除了繼承了原版RHex 的特性之外，其尾部還設(shè)置了防止向后傾斜的裝置。腿上細(xì)小的錐型腳趾使其能夠懸掛于陡峭的山坡，最大爬坡角度達(dá)到55°，還可緊貼地附著在135°的斜坡表面。

圖6 機(jī)器人RHex

圖7 機(jī)器人T-RHex

為了滿足水底軍事作業(yè)需求和搶險救援的需求，一些能夠適應(yīng)水下工作條件的六足機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。如圖8所示。用于淺灘地雷探測的六足機(jī)器人Ariel[29]可以進(jìn)行類似于螃蟹的橫向運(yùn)動，為了滿足水下作業(yè)的需求，其控制器及驅(qū)動電路均封裝在防水設(shè)備中。同時為了降低浮力，Ariel 的設(shè)計使水可以從其體內(nèi)流入。其腿部具有兩個自由度且具有較大的轉(zhuǎn)動范圍，在被海浪打翻的情況下也能正常的行走。如圖9所示。巨型水下作業(yè)機(jī)器人Crabster CR200[30]主要用于參與水下救援工作，是目前全球最大的水下機(jī)器人，其腿部具有30多個關(guān)節(jié)，需要4 名駕駛員控制，能夠適應(yīng)復(fù)雜的水下氣候條件。用于進(jìn)行海床垃圾的龍蝦六足機(jī)器人SILVER2，該機(jī)器人通過使用防水外殼中的新型腿部穩(wěn)定模塊來保持平衡，能夠適應(yīng)各種海洋環(huán)境下的作業(yè)需求，其行走時的穩(wěn)定工作時間可達(dá)7 h。具有自主水下步行能力的六足防蟹機(jī)器人ALUV[31]具有兩棲運(yùn)動功能，在海浪太大時可將足部埋入沙中防止被沖走。

圖8 機(jī)器人Ariel

圖9 機(jī)器人Crabster CR200

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也使得機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力大大提升。在最新的研究中，Gutierrez-Galan[32]等人利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了一款六足機(jī)器人NeuroPod，如圖10所示，該機(jī)器人利用內(nèi)置的集成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行步態(tài)轉(zhuǎn)換，能夠在行走、小跑和奔跑的步態(tài)之間平穩(wěn)切換。

圖10 機(jī)器人NeuroPod

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

六足機(jī)器人由于其廣闊的應(yīng)用前景，在國內(nèi)引起了眾多科研機(jī)構(gòu)的重視，但是相較于國外而言，我國在六足機(jī)器人的發(fā)展道路上起步較晚。20世紀(jì)80年代我國開始進(jìn)行該方面的研究，最早的文獻(xiàn)資料要追溯到中科院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所對六足機(jī)器人理論及實驗方面的研究[33]。后續(xù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京理工大學(xué)和上海交通大學(xué)等科研單位逐漸開展了關(guān)于六足機(jī)器人樣機(jī)的研制。近年來，國內(nèi)在六足機(jī)器人的研究領(lǐng)域內(nèi)已取得了顯著的成績。

2006年由哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的HITCR-Ⅰ[34]，旨在用于野外偵察工作。其腿部采用復(fù)合四連桿機(jī)構(gòu)，由舵機(jī)驅(qū)動且舵機(jī)位于軀干上，有效減少了腿部的轉(zhuǎn)動慣量。如圖11所示。HITCR-Ⅰ機(jī)器人的控制系統(tǒng)基于ARM 芯片，通過基于Cruse 步態(tài)規(guī)則產(chǎn)生自由步態(tài)實現(xiàn)全方位移動。該機(jī)器人作為一個研究平臺，實現(xiàn)了理論研究和實驗驗證相結(jié)合，為下一代六足機(jī)器人的研制提供了理論基礎(chǔ)，最為重要的是其為下一代結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了現(xiàn)實指導(dǎo)。

圖11 機(jī)器人HITCR-Ⅰ

六足機(jī)器人Octopus[35]于2013年由上海交通大學(xué)高峰研究團(tuán)隊研制，其具有重大的意義——在核電站等核輻射環(huán)境下進(jìn)行緊急救災(zāi)。如圖12所示。Octopus 最大的特點是其腿部采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)且包含3 個支鏈：1 個UP鏈，2 個UPS 鏈。由于采用該結(jié)構(gòu)，機(jī)器人Octopus 的承載能力顯著增強(qiáng)。Octopus機(jī)身采用完全對稱設(shè)計，具備全方位快速運(yùn)動能力和較強(qiáng)的抗干擾能力?；谏鲜瞿芰?，Octopus便能代替人類進(jìn)行危險環(huán)境作業(yè)，除此之外Octopus還具備多種環(huán)境適應(yīng)能力。

圖12 機(jī)器人Octopus

除了Octopus之外，該團(tuán)隊所研發(fā)的“青騅”[36]也是國內(nèi)比較具有代表性的六足機(jī)器人之一。如圖13所示。其主要用于探測災(zāi)后環(huán)境，搬運(yùn)救災(zāi)物資，清除障礙物以及滅火等作業(yè)任務(wù)等，具備一定的負(fù)載能力。該機(jī)器人采用自主開發(fā)的電機(jī)傳感符合驅(qū)動，實現(xiàn)了力覺動態(tài)控制行走，同時3-3 步態(tài)行走方式也使其具有更高的行走穩(wěn)定性。

圖13 機(jī)器人“青騅”

在六足機(jī)器人研制過程中也誕生了一些對地形適應(yīng)能力較好的機(jī)器人樣機(jī)，例如：月球表面探測的機(jī)器人NOROS-Ⅱ[37]，其腿部采用了輪腿混合式結(jié)構(gòu)，除了3個驅(qū)動關(guān)節(jié)以外，在其膝部還配備一個移動輪的驅(qū)動關(guān)節(jié)，腿部足端向軀干內(nèi)側(cè)收縮時移動輪可著地并投入使用。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計有效提高了NOROS-Ⅱ的行走能力、運(yùn)動穩(wěn)定性。仿真電驅(qū)動六足機(jī)器人E1Spider[38]能搭載155 kg 的重物，載荷自重比達(dá)50%，可攀越斜坡的角度達(dá)到35°。

北京理工大學(xué)Chen[39]等人在其團(tuán)隊設(shè)計研發(fā)的一代四足機(jī)器人“哪吒”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)了BIT-NAZAII 六足機(jī)器人。如圖14所示。該機(jī)器人在平坦路面時采用輪式運(yùn)動，速度快、能源效率高；在復(fù)雜路面時采用足式運(yùn)動，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、越障能力好。該機(jī)器人通過控制Stewart 平臺的垂直自由度來調(diào)整機(jī)器人的整體姿態(tài)，同時解決了腿懸架問題。該機(jī)器人具有很強(qiáng)的負(fù)載能力和環(huán)境適應(yīng)性，能夠很好地完成搶險救災(zāi)、物資運(yùn)輸、資源勘探等任務(wù)。

圖14 機(jī)器人BIT-NAZA-II

2 六足機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)體和單足結(jié)構(gòu)設(shè)計

六足機(jī)器人機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮足部的布置形式，常見的布置形式包括矩形布置[40]、橢圓形布置和圓周布置[41]。選擇合適的機(jī)體結(jié)構(gòu)并合理布置六足的位置，能夠增加運(yùn)動的穩(wěn)定性，減小步行過程中各腿之間碰撞的可能性，保證足間的協(xié)調(diào)性能和腿部的活動空間，同時有利于各腿足端力的平均分布[42]。

在進(jìn)行單足結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，大多數(shù)的六足機(jī)器人會選用3 自由度單足，這類單足結(jié)構(gòu)主要由基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)構(gòu)成，每個關(guān)節(jié)能夠做單自由度的旋轉(zhuǎn)。一些機(jī)器人在設(shè)計時為了簡化結(jié)構(gòu)與控制，會選用自由度小于3的少自由度單足。例如水下六足機(jī)器人AQUA[43]、具有單自由度足式結(jié)構(gòu)的六足機(jī)器人SensoRHex[44]、具有兩自由度單足結(jié)構(gòu)的六足機(jī)器人Kafka[45]等。若需進(jìn)一步提高六足機(jī)器人的運(yùn)動性能，則需要增加足部的自由度，如ATHLETE 在單足末端增加了一個可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)以調(diào)整足端姿態(tài)，從而提高機(jī)器人的地形適應(yīng)能力。

2.2 步態(tài)規(guī)劃

步態(tài)的規(guī)劃的目標(biāo)是通過有效控制六足機(jī)器人腿間相序以生成適于不同地形全方位移動的自由步態(tài)，是六足機(jī)器人理論研究中的核心內(nèi)容。面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，要求規(guī)劃的運(yùn)動具有良好的適應(yīng)性和魯棒性，如何設(shè)計多足機(jī)器人的腿間作用機(jī)制，實現(xiàn)崎嶇地形條件下的腿間相序?qū)崟r自適應(yīng)調(diào)整，生成靜態(tài)穩(wěn)定的自由步態(tài)，滿足在崎嶇地形下高效、穩(wěn)定的避障需求是關(guān)鍵問題。目前較為常見的步態(tài)規(guī)劃方法有三角步態(tài)法、四足步態(tài)法和五足步態(tài)法或稱波浪步態(tài)法[46]。

2.2.1 三角步態(tài)

三角步態(tài)是六足類昆蟲使用最頻繁的一種步態(tài)[47]。在采用三角步態(tài)進(jìn)行移動的過程中，需要始終有3 條腿保持支撐狀態(tài)，其在地面的位置構(gòu)成一個三角形，機(jī)器人的重心就處于這個三角形之中；另外3 條腿處于擺動狀態(tài)。由于機(jī)體的重心落在三角支架內(nèi)，使得這種行走方式具有較大的靈活性和較高的穩(wěn)定性[48]。在進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時需要將相間隔的機(jī)械足分為一組，分別是1、3、5為第一組，2、4、6為第二組。在進(jìn)行移動的過程中兩組腿交替作為支撐腿和擺動腿，即可完成機(jī)器人的移動[49]，如圖15所示。

圖15 三角步態(tài)運(yùn)動示意圖

2.2.2 四足步態(tài)

在采用四足步態(tài)運(yùn)動[49]的過程中，始終有4 條腿同地面接觸。由于接觸地面的支撐點數(shù)量增加，采用這種步態(tài)運(yùn)行的機(jī)器人較采用三角步態(tài)的機(jī)器人穩(wěn)定性更高，負(fù)載能力也較強(qiáng)，缺點是移動速度較慢。在進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時需要將6 條腿分為三組，第一組是1、5，第二組是2、6，第三組是3、4。在移動過程中第一組、第二組、第三組腿按順序作為擺動腿執(zhí)行向前擺動，其余腿作為支撐腿保持機(jī)體的穩(wěn)定，即可完成六足機(jī)器人的運(yùn)動，如圖16所示。

圖16 四足步態(tài)運(yùn)動示意圖

2.2.3 五足步態(tài)法（波浪步態(tài)法）

采用五足步態(tài)法[49]的機(jī)器人在運(yùn)動過程中始終保持5條腿與地面接觸，這種機(jī)器人的穩(wěn)定性最強(qiáng)，負(fù)載能力最強(qiáng)，但同時移動速度也最慢。在行走時6條腿按照標(biāo)號順序依次前進(jìn)，其余腿作為支撐腿，如圖17所示。

圖17 五足步態(tài)運(yùn)動示意圖

2.3 腿部軌跡規(guī)劃

腿部軌跡規(guī)劃的目標(biāo)是讓機(jī)器人在各種地形條件下行走時能夠選擇穩(wěn)定有效的落地點，使其能夠滿足平坦或輕度崎嶇地形下的快速前進(jìn)的步行要求和重度崎嶇地形下的越障要求。具有良好的足端起落、速度和加速度特性的腿部軌跡，能夠保證機(jī)器人步行時的連貫性和穩(wěn)定性[50]。

在進(jìn)行腿部軌跡規(guī)劃時，常用的方法有直線段[51]、拋物線[52]、橢圓軌跡[53]和三次曲線[54]等，這些方法可以通過初等函數(shù)、多項式插值等進(jìn)行描述。一次函數(shù)容易組合成給定形狀，但在直線連接點處速度和加速度不連續(xù)；拋物線有利于避障，但在起落時存在沖擊現(xiàn)象[55]；多項式插值由于采樣過多，在多項式插值階次過高時會有震蕩、行走不穩(wěn)定等問題[56-57]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，三次樣條曲線能夠滿足軌跡曲線1 階、2 階可導(dǎo)和連續(xù)，軌跡線平滑、階次較低、震動較小，具有比較理想的行走性能[58]。

2.4 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是使機(jī)器人能完成自主移動且不與障礙物發(fā)生碰撞情況下開展工作的關(guān)鍵步驟，主要通過執(zhí)行各類路徑規(guī)劃算法來實現(xiàn)。按照路徑搜索方式可將路徑規(guī)劃方法分為基于圖搜索、啟發(fā)式搜索和基于采樣的路徑規(guī)劃算法三種[59]?；趫D搜索的路徑規(guī)劃算法中具有代表性的是Dijkstra 算法[60-62]及A*算法[63]，由于這種算法在進(jìn)行規(guī)劃前需先獲取完整的地形信息并對不同區(qū)域進(jìn)行建模，故只適用于規(guī)模較小的地圖，且不能進(jìn)行動態(tài)路徑規(guī)劃。基于啟發(fā)式搜索的路徑規(guī)劃算法能夠根據(jù)接受準(zhǔn)則更新當(dāng)前狀態(tài)，在動態(tài)路徑規(guī)劃中有一定優(yōu)勢，代表算法有遺傳算法[64]和蟻群算法[65-66]。基于采樣的路徑規(guī)劃算法依賴于其執(zhí)行過程中對節(jié)點的采樣，能夠較好的解決高維度復(fù)雜規(guī)劃問題，代表算法有快速搜索隨機(jī)樹（RRT）算法[67]。

2.5 位姿控制

為了使機(jī)器人能夠在復(fù)雜崎嶇的地形步行過程中保持良好的穩(wěn)定性和靈活性，需要對機(jī)器人的位姿進(jìn)行控制。常規(guī)的位姿控制由單純的位置控制實現(xiàn)，處于多足步行機(jī)器人位姿的開環(huán)控制層面，這種控制方法存在運(yùn)算復(fù)雜、應(yīng)用性差的問題[68]。通過對腳力進(jìn)行控制能提高機(jī)器人位姿控制的準(zhǔn)確性，這種方法在Warp1 四足步行機(jī)器人[69]、液壓六足步行機(jī)器人COMET-II[70]、Big-Dog[71]中均有運(yùn)用。雖然腳力控制能夠在一定程度上起到對位姿的修正，但并沒有實現(xiàn)機(jī)器人位姿的閉環(huán)精確控制。對需要適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的機(jī)器人，精確的位姿控制是關(guān)鍵因素，其中在LittleDog 中的位姿控制效果明顯，其核心部分是步態(tài)算法中專門的位姿規(guī)劃器[72]。但由于其位姿信息是通過外設(shè)的運(yùn)動捕捉系統(tǒng)獲得，對于自然環(huán)境下的應(yīng)用仍有一定的局限性。目前，大多數(shù)的位姿控制研究仍處于開環(huán)控制階段，閉環(huán)控制雖能初步實現(xiàn)但仍不夠成熟，對于位姿閉環(huán)控制的深入研究是很有必要的。

3 展望

隨著六足機(jī)器人研究的深入，其在結(jié)構(gòu)設(shè)計、步態(tài)規(guī)劃、軌跡規(guī)劃等方面都取得了突破性的進(jìn)展。雖然在研究的過程中開發(fā)了許多機(jī)器人樣機(jī)，但這類樣機(jī)的活動仍然局限于實驗室條件，對于真實環(huán)境條件下的運(yùn)用適應(yīng)能力欠佳，使得這類機(jī)器人難以大規(guī)模實際應(yīng)用。為了解決以上問題，未來可結(jié)合以下幾方面展開研究。

（1）復(fù)雜地段的步態(tài)規(guī)劃問題。現(xiàn)有多足機(jī)器人步態(tài)研究中所考慮的地形均為較常規(guī)的地形，對于重度崎嶇地形、松軟地形等復(fù)雜的形下的步態(tài)規(guī)劃研究相對較少。此外對于此類地形中的跌倒傾翻自動恢復(fù)、重度崎嶇地形中機(jī)體的平衡問題、泥濘沼澤中的脫泥脫土問題等，也需要進(jìn)一步研究。

（2）步態(tài)規(guī)劃的智能化問題。現(xiàn)有的六足機(jī)器人都是在確定周圍環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，但真實環(huán)境下地形條件未知，需要機(jī)器人使用智能化方法生成步態(tài)，以實現(xiàn)在不同地形條件下步態(tài)的自動調(diào)整，滿足在不同環(huán)境中的作業(yè)需求。

（3）腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。目前大多數(shù)的步行機(jī)器人所使用的腿部結(jié)構(gòu)均為剛性結(jié)構(gòu)，由于在運(yùn)行過程中的碰撞，機(jī)器人行走時的穩(wěn)定性差，同時腿部機(jī)構(gòu)間摩擦大，使得機(jī)器人的使用壽命較短。近年來對于柔性結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)一步深入，該類結(jié)構(gòu)已被大量運(yùn)用在機(jī)械臂、仿生機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人等等。實現(xiàn)六足機(jī)器人腿部的柔性化設(shè)計，能夠有效的提高六足機(jī)器人行走的穩(wěn)定性，同時提高其使用壽命。

（4）高效的多足協(xié)調(diào)控制方法。針對六足機(jī)器人的多足協(xié)調(diào)控制，目前多數(shù)的研究是從足端的軌跡規(guī)劃和機(jī)體的運(yùn)動規(guī)劃入手，以實現(xiàn)機(jī)器人的行走功能。但這些研究中沒有考慮機(jī)器人運(yùn)動的整體性，忽略了足端軌跡規(guī)劃和機(jī)體運(yùn)動規(guī)劃間運(yùn)動耦合對機(jī)器人運(yùn)動性能的影響，使得機(jī)器人的運(yùn)動潛能得不到充分發(fā)揮[73]。因此，探索高效的多足協(xié)調(diào)控制方法，尋求簡化的控制算法，是六足機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然。

（5）可行、穩(wěn)定的多機(jī)器人協(xié)同控制和編隊方法。多機(jī)器人系統(tǒng)是指若干個機(jī)器人通過合作與協(xié)調(diào)完成某一任務(wù)的系統(tǒng)，是當(dāng)前機(jī)器人研究的一個重要方向[74]。該系統(tǒng)利用局部信息的交換，使得系統(tǒng)內(nèi)的各個機(jī)器人之間相互協(xié)同，完成單個機(jī)器人難以完成的、較為復(fù)雜的任務(wù)[75]。機(jī)器人編隊控制的思想來源于自然界中動物的生存、捕食、抵御外來攻擊等，可行、穩(wěn)定的多機(jī)器人協(xié)同控制和編隊方法能提高系統(tǒng)完成任務(wù)的能力和效率，使機(jī)器人在環(huán)境多變的狀況下順利完成規(guī)定的任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文在對國內(nèi)外六足機(jī)器人進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了六足機(jī)器人機(jī)體和單足的結(jié)構(gòu)設(shè)計、步態(tài)規(guī)劃、腿部軌跡規(guī)劃、路徑規(guī)劃和位姿控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，并對六足機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行了展望?？傮w上來說，國內(nèi)外對于六足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、步態(tài)規(guī)劃、腿部軌跡規(guī)劃等方面均取得了突破性的進(jìn)展，但目前的六足機(jī)器人行走過于機(jī)械且難以完成復(fù)雜的仿生運(yùn)動，使用壽命較短的問題仍未很好的解決。大多數(shù)的六足機(jī)器人樣機(jī)的工作環(huán)境仍局限于實驗室條件，對于復(fù)雜地形下的適應(yīng)能力較差，難以運(yùn)用于實際的工程作業(yè)?；诂F(xiàn)有的研究成果，針對六足機(jī)器人研究中的關(guān)鍵問題，需從腿部的仿生結(jié)構(gòu)、位姿的閉環(huán)控制、合理的路徑規(guī)劃和多機(jī)器人的協(xié)同控制等方面進(jìn)行深入的研究，為設(shè)計運(yùn)動性能優(yōu)越的六足機(jī)器人提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，盡最大可能挖掘其卓越的運(yùn)動潛能，使六足機(jī)器人能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。