四足步行机器人文献综述36240.docx

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1、1、引言 移动机器人按移动方式大体分为两大类；一是由现代车辆技术延伸发展成轮式移动机器人（包括履带式）；二是基于仿生技术的运动仿生机器人。运动仿生机器人按移动方式分为足式移动、蠕动、蛇行、游动及扑翼飞行等形式,其中足式机器人是研究最多的一类运动仿生机器人。 自然环境中有约50的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探索，足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。现研制成功的足式机器人有1足，2足，

2、4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。曾长期作为人类主要交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。因而四足机器人在足式机器人中占有很大的比例。长期从事足式机器人研究的日本东京工业大学的広濑茂男等学者认为：从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最佳的足式机器人形式1，四足机器人的研究深具社会意义和实用价值。 四足机器人的研究可分为早期探索和现代自主机器人研究两个阶段。 中国古代的“木牛流马”以及国外十九世纪由 Rygg 设计的“机械马”，是人类对足式行走行机器的早期探索。而 Muybridge 在 1899

3、 年用连续摄影的方法研究动物的行走步态，则是人们研究足式机器人的开端。20世纪60年代，机器人进入了以机械和液压控制实现运动的发展阶段。美国学者 Shigley（1960）和 Baldwin（1966）都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车2。这一阶段的研究成果最具代表性的是美国的Mosher于 1968 年设计的四足车“Walking Truck” 3（图1）。80年代，随着计算机技术和机器人控制技术的广泛研究和应用，真正进入了具有自主行为的现代足式机器人的广泛研究阶段。2、现代自主机器人的研究状况以微型计算机技术广泛应用为标志的现代四足机器人的研究和应用受到世界广泛的关注。现代四足机器人研究

4、最系统和取得研究成果最多的是日本东京工业大学的広濑茂男等领导的広癞福田机器人研究室（HIROSEFUKUSHIMA ROBTICS LAB），该实验室从80年代开始四足机的研究，持续研究20多年，共试制成功3个系列、12款四足机器人。发表相关研究论文172篇4。其它如美国的MIT,卡耐基梅隆大学，加拿大，德国，法国，新加坡，韩国等国家均有四足机器人样机研制成功。国内也进行了四足机器人的基础研究和试验研究，如吉林工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学，哈尔滨工业大学，中国科技大学等单位。表1列出了国内外主要从事研究四足机的单位和其研制的典型样机型。 3、国外研制的典型样机和主要特征四足机器人研

5、究的代表是日本东京工业大学的広濑福田机器人研究实验室。从80年开始至今已研制出3个系列12款四足机器人。第一代四足移动机器人KUMO-I外形似长腿蜘蛛（图2），它是世界上第一个具有自主行走的现代足式机器人5。随后研制成功世界上第一个能上下爬行楼梯的四足机器人PV-II（图3）。之后研制成功两款NINJA系列爬壁系列机器人和8款TITAN系列以野外探测和挖掘地雷为使用目标的机器人。其中最有代表性的是TITAN系列机器人TITANVIII6（图4）。该款机器人的软硬件齐全，功能比较完备，具有多种运动步态选择。在该上机配套先进而完整的专门针对四足移动机器人开发的操作系统VK-I，因而该机器人特别适合

6、于教学研究用。整机售出约5O多套给日本的多个大学和研究所及世界很多研究机构作为基础研究和应用研究的平台。其基本参数：每足具有3个自由度，其中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度，膝关节具有一个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动，质量约4O kg，有效负载57 kg，行走速度决定于负载情况，一般在0.30.9m/s之间变化。另一款有特点的机型是9O年代研制成功TITAN 型 ,该步行机采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中腿间的干涉，并采用2段变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动，能以50 mms的速度，在倾角为3O4O楼梯上步行。9O年代広濑茂男等研制成功壁面全方位移

7、动系列机器人NINJA-I（图5）及NINJA-II， NINJA-I的每条腿由3自由度的平行连杆机构构成，长、宽、高分别为：1800mm，500mm，400mm，质量45kg，各关节轴由12个4Ow 的直流电机驱动，每个脚底的吸盘被分为2O个小吸盘，产生大约1500N的吸力，上升速度为48cmmin，横向移动速度为96cmmin能在壁面及天花板上全方位移动。近年研制成功的典型四足机器人是TITAN-IX7（图6）。为适应如此复杂的任务，专门研制了更先进的机器人操作控制系统VK-II。截至目前，広濑福田研究室已研制出第12款机器人TITAN-XI8。另外，日本电气通信大学的木村浩(Hirosh

8、i Kimura)等研制成功很有特点的两个系列四足步行机器人Patrush系列和Tekken系列。二代PatrushII（图7），用两个微处理机控制，采用瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关。最具有创新性的成果是采用基于神经振荡子模型CPG(Central Pattern Generator)的控制策略9，10。而CPG是足式机器人近10年来在控制方面取得的最具突破性成果11。2000-2003年研制成功具有宠物狗外形的机器人Tekken系列的第四代，Tekken3和Tekken4采用了新颖的机构设计和激光导航系统12,该系列继承了Patrush系

9、列的优点。第四代Tekken-IV（图8）用一台PC机系统控制，瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。控制系统也采用基于神经振荡子模型的CPG控制器和反射机制构成的系统，其中基于CPG的控制器用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号的反馈，来改变CPG的周期和相位输出。Tekken4 能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。Tekken系列另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，成功的实现在封闭回廊中无碰快速行走，且可以辨别和避让前方存在的人和动物。 日本进行四足机器人研究的还

10、有日本东北大学。1992年，日本东北大学的木村浩(Hiroshi Kimura)、中野泶二等研究开发出具有四腿和两轮分别独立移动的混合步行机器人Chariot-I， 2004年，开发出腿轮移动机器人Chariot-III”，并对其进行步态及控制方面的研究。2005年，他们开发供高龄人、残疾人等步行困难者使用的步行机器人Chariot-IV。该步行机具有较高机动性和不平地面步行的稳定性，可自如地上下台阶。另外还有日本的空气动力实验室（Kyoto Univ.Tsuchiya Lab）也在研究四足机13。美国的MIT Leg Lab实验室早在1986年研制完成了一款四足机器人。美国的四足机的典型代表

11、是卡耐基美隆大学的Boston dynamics实验室研制的BigDog（图9）和LittleDog（图10）。BigDog 是最像仿生对象的仿生机器人，外形和体特比例很像一头凶猛的猎犬,负载 52KG的重量能够在粗糙的瓦砾地面或泥泞地面以不同步态自如行走，野外行走能力很强。最大的特点是具有较强的机体平衡能力，在剧烈的侧面冲击作用下，能保持平衡而不倒。 在卡耐基.梅隆大学 2006.11.3 的机器人学术报告会上，Martin Buehler(Director of Robotics Boston Dynamics)称，已列入计划将BigDog的四足机器人深入研究，使其性能达到能走、跑、平衡、

12、爬行等动态移动、运载货物、识别粗糙地形能力、自主控制能力等方面达到一个新的水平14。 加拿大 McGill 大学智能机器中心（Centre for intelligent Machines McGill University）Ambulatory 机器人技术实验室（Ambulatory Robotics Lab）研制了两代四足机器人Scout-I和Scout-II15，Scout-I主要用来进行行走控制，每条腿只有l个自由度，且髋部只有1个驱动器尽管其机械结构简单，动态稳定性却很令人满意；Scout-II是自主型奔跑机器人，每条腿的髋部仍只有1个驱动器，不同的是，每条腿具有两个自由度。控制器只

13、需改变4个参数(前腿和后腿的触地力矩和触地角度)的设置就可以控制机器人的运动。 德国1998年开发的四足机器人BISAM。该机器人结构由主体、4条腿和头部组成。机器人总重14.5kg，内部装有微控制器、处理器、电池及立体摄像头。 法国的Bourges (France)大学也研制成功SILO4系列四足机器人。韩国School of Mechanical Engineering Sungkyunkwan University设计完成一款四足爬墙机器人MRWALLSPECT-III，并完成了从地面到墙壁的行走试验16。4、国内外机器人市场状况目前，国际上机器人市场大概有80亿至100亿，其中工业机器

14、人占的比重最大。2025年，整个机器人市场将达到500亿，服务机器人从原来的300多万台增加到1200多万台，特种机器人(如：排爆机器人、医疗机器人等)的呼声也越来越高。另外，微软等IT企业，丰田、奔驰等汽车公司，甚至还有家具、卫生洁具企业都纷纷参与机器人的研制.美国和日本多年来引领国际机器人的发展方向，代表着国际上机器人领域的最高科技水平。目前，日本除了比较关注特种机器人和服务机器人以外，还注重中间件的研制。然而，近年来日本基本上在做模仿性的工作，突破性技术比较少。而美国在机器人领域的技术开发方面，一直保持着世界领先地位。再有，美国主要做高附加值的产业，比如军用机器人，目前世界销售的9000

15、台军用机器人之中，有60%来自美国。比如：美国最近研制成功的BigDog军用机器人，能负重100公斤，行进速度跟人相当，每小时达到五公里，还能适应各种地形，即使是在侧面受到冲击时也能保持很好的系统稳定性。在各种机器人中，工业机器人应用较早，发展最为成熟。同时，技术的不断进步一直在牵引着机器人学科的发展，使机器人的应用领域从工业机器人扩展到特种机器人和服务机器人等。机器人技术也正越来越深刻地影响着我们的生活。在国外，应用于制造业的机器人取得了较显著进展，已成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名机器人公司。如德国的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。据专

16、家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，2002年至2004年，世界机器人市场年增长率平均在10%左右，2005年达到创纪录的30%，2007年全球机器人实际安装量达到650万台，机器人安装量比2006年增加3%，达到了114365台。据统计，近年来全球机器人行业发展迅速，2008年全球机器人行业总销售量比2006年增长25%。而无论在使用、生产还是出口方面，日本一直是全球领先者，目前日本已经有130余家专业的机器人制造商。在国内，国家863机器人技术主题自成立以来一直重视机器人技术在产业中的推

17、广和应用,长期以来推进机器人技术以提升传统产业,利用机器人技术发展高新产业。目前,政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额,并提供优惠措施鼓励更多企业使用机器人及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机器人,各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。根据我国海关统计,最近4年来许多企业在华的销售量甚至是前面十几年销售量的几倍,年平均增长率超过40%。2001年我国工业机器人海关进出口数量不过是3774台,国内生产数量约700台左右。2004年市场规模已经增长到万台左右,数量和金额相对于2001年都增长了两倍。2004年国产工业机器人数量突破了1400台,产值突破8亿元人民币。进口机器人数量超过9000台,其中多功能机器人约1700台,简易机器人7500台,进口额约25亿美元。德国CLOOS公司在华焊接机器人销售量2000年以前为47台,2000年以后已经突破121台,销售量翻了近3倍。可以预见,中国的工业机器人产业不久后将会作为一种在国民经济中占据重要地位的产业而存在。