1968年由美國GE公司Ralph Moshe設(shè)計的在崎嶇地形下幫助步兵攜帶的設(shè)備Walking Truck［9］如圖1-1，該設(shè)備是由四條相同的機械腿與機體相連接，機械腿是由三個轉(zhuǎn)動副組成有三個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)足端兩個方向的轉(zhuǎn)動和一個方向的移動，機器人的整體運動是由操作人員通過控制換向閥控制四肢的動作來實現(xiàn)的，通過液壓伺服系統(tǒng)提供的各關(guān)節(jié)動力，實現(xiàn)身體姿勢和腿部的復(fù)雜運動。在操作過程中主要依靠設(shè)備中的力反饋，操縱者來判斷運動情況。由于當(dāng)時的設(shè)備限制不具備智能控制，雖然操作起來比較費力，但也實現(xiàn)了運動承載功能，仍是一項代表性的研究成果。

美國波士頓動力學(xué)公司自1992年創(chuàng)立以來便開始研發(fā)機器人，并于 2005 年研發(fā)了四腿機器人 Big Dog［10］如圖 1-2。它主要是用四足哺乳動物的結(jié)構(gòu)為仿生參考來進行設(shè)計制造的，它的單腿運動主要是靠三個轉(zhuǎn)動副和一個移動副來完成，整體結(jié)構(gòu)擁有 12 或 16 個主動自由度，驅(qū)動方式主要以內(nèi)燃機為動力源驅(qū)動液壓系統(tǒng)來完成，在運動過程中通過機載系統(tǒng)對機器人的姿態(tài)和環(huán)境進行檢測，然后利用虛擬模型對機器人進行模擬仿真和運動規(guī)劃，再根據(jù)實際的動力學(xué)進行輸出，從而完成整體的運動，這種運動方式使得機器人具有很強的地形適應(yīng)性。

此外，美國波士頓動力公司在 Big Dog 基礎(chǔ)上又研制了 Cheetah、Little Dog［11］，如圖 1-3、圖 1-4 所示，其中 Cheetah 是世界上速度最快的機器人的記錄，它的速度每小時超過 29 英里，動力來自于液壓泵。其中 Little Dog 用于研究動態(tài)控制、復(fù)雜地形感知和運動行為關(guān)聯(lián)的通用機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)自身特點在復(fù)雜地形移動的能力。

美國斯坦福大學(xué)與俄勒岡州立大學(xué)移動實驗室共同研發(fā)了一款四足機器人KOLT［12］，如圖 1-5 所示，其結(jié)構(gòu)是以大山羊為仿生對象進行設(shè)計，每條腿有 3個自由度，通過電磁驅(qū)動來實現(xiàn)機器人的運動，可以實現(xiàn)在平坦地面高速跑步運動。從 1976 年起，日本東京工業(yè)大學(xué)先后研究出一系列機器人，如 KUMO—I 四足機器人、PV—II 以及 TITIN［13］系列四足機器人。其中，KUMO—I［14］四足機器人外觀形似蜘蛛，能越過較小的障礙物，TITIN 系列四足機器人中最具有代表性的是 TITIN—VIII［15］，如圖 1-6 所示，腿部采用這三個轉(zhuǎn)動副為驅(qū)動來實現(xiàn)機器的移動，擁有三個自由度，具有多種步行步態(tài)，有較高的自適應(yīng)能力。TITAN—XI［16］能夠利用檢測到的路面情況對機器人運動進行調(diào)整，可以應(yīng)用于大型工程施工中，能在混凝土斜坡上運動。

2011 年，日本東京大學(xué)研發(fā)了四足機器人 PLGORAS［17］，如圖 1-7 所示，機器人采用 ABS 樹脂和碳纖維增強復(fù)合材料等制作而成，機器人采用前腿兩段驅(qū)動，后腿三段驅(qū)動，整體具有 10 個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)走、跑、跳等功能，最大亮點在于它是通過模擬神經(jīng)系統(tǒng)“自主”進行移動的，不需要提前對機器人的動作進行編程。

加拿大麥吉爾大學(xué)研發(fā)了Scout系列和PAW 系列四足機器人［18］，其結(jié)構(gòu)簡單，自由度相對較少便于控制，Scout II 每條腿有兩個自由度，在腿設(shè)計上增加了彈性元件，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人在彈跳步態(tài)下的奔跑和轉(zhuǎn)向，PAW在Scout II的基礎(chǔ)上對足端添加了主動輪，能夠?qū)崿F(xiàn)輪腿或輪腿復(fù)合的一系列運動。

德國移動機器人智能架構(gòu)研究中心研制的一款猿猴類型的機器人 Charlie，如圖1-8 所示，機器人可以四肢著地進行攀爬移動，就像是真正的靈長類動物一樣，這是世界上第一款配備了驅(qū)動脊椎和機械腿的機器人，這可以使機器人在越障或攀爬高山時更加穩(wěn)定，即使摔倒也可以重新爬起來。

意大利技術(shù)學(xué)院開發(fā)的具有代表性的液壓動力四足機器人Hyq［19］，如圖1-9所示。機器人有 12 個自由度，其中 8 個為液壓驅(qū)動，4 個為電動，每個腿都設(shè)計了踝關(guān)節(jié)和足端，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)步行和單腿豎直平面跳躍。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

20世紀80年代開始，我國相關(guān)高校和科研院所對四足機器人展開系統(tǒng)研究。雖然基礎(chǔ)較弱、起步較晚，但得到了國家的極大重視，其研究列入了國家“863”計劃。目前，國內(nèi)有關(guān)四足機器人研究的中堅力量主要集中在高校和少數(shù)研究機構(gòu)，其中上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、山東大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟大學(xué)等高校的研究工作及其成果比較具有代表性。

國內(nèi)最早進行四足機器人研究的是以上海交通大學(xué)馬培蓀教授為主的研究人員。他們研制的關(guān)節(jié)式哺乳動物型四足機器人 JTUMM—III［20］，整體有 12 個自由度，采用直流伺服電機進行驅(qū)動，利用它的足端壓力傳感器，通過位置和力的混合控制，實現(xiàn)了機器人的低速動態(tài)行走運動。

上海交大研制的“智慧小象”機器人，如圖 1-11 所示，機器人整體擁有 12 個自由度，每條機械腿有 3 個驅(qū)動，腿部下部采用四邊形放大機構(gòu)，機身裝有力覺測量與實時感知信息反饋系統(tǒng)，能夠使機器人有在慣性力和外力沖擊下自動回復(fù)平衡的能力。機身可以隨身攜帶動力源，同時可以實現(xiàn)遠程操縱。

國內(nèi)外研究難點及發(fā)展趨勢；

總體來說，四足機器人的發(fā)展趨勢在不同技術(shù)層面和不同地區(qū)呈現(xiàn)不同的側(cè)重方向。

從地區(qū)分布上說，國外對四足機器人的研究起步早、基礎(chǔ)厚、水平高。對四足器人的驅(qū)動方式、運動形式、穩(wěn)定依據(jù)判定等存在技術(shù)分歧的部分都進行過各種技術(shù)探索與科學(xué)嘗試，多傳感器融合技術(shù)也得到初步驗證。尤其應(yīng)當(dāng)看到的是，美國由于軍方的介入，其最新一代樣機已經(jīng)接近實用，這使其居于世界領(lǐng)先的地位。國內(nèi)對四足機器人的研究因起步晚、基礎(chǔ)弱、水平低，特別是在系統(tǒng)理念、關(guān)鍵器件、基礎(chǔ)術(shù)等方面存在較大差距等原因，在四足機器人的行進速度、負載能力等硬性指標(biāo)上以及針對地形和擾動的自適應(yīng)控制技術(shù)方面均和國外研究水平相差甚遠，需要奮起直追，迎頭趕上。

從技術(shù)層面看，四足機器人從最初的完全人工操作到現(xiàn)在具有一定的智能化程度其相關(guān)技術(shù)如計算機視覺、自動控制、人工智能、步態(tài)規(guī)劃和能源供應(yīng)等都取得了較大的進展。此外，四足機器人的行走模式經(jīng)過了一個漫長的發(fā)展時期，從最初的靜態(tài)穩(wěn)定步行到特定環(huán)境中的動態(tài)穩(wěn)定步行，再到在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的較為實用的動態(tài)定步行，四足機器人在步行適應(yīng)性方面已經(jīng)有了長足的進步。隨著微處理器性能的步提升，越來越先進的理論和算法被應(yīng)用到四足機器人的步態(tài)控制中，通過控制統(tǒng)、機械系統(tǒng)、環(huán)境之間的相互耦合傳遞運動，使四足機器人具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

總體設(shè)計改進分析：

若想研制出強勁、性能穩(wěn)定、行走可靠并能實際應(yīng)用的四足機器人，需要攻克以下幾個技術(shù)難點。

①四足機器人有效作業(yè)時長的提高；

②四足機器人運動時各個關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的協(xié)調(diào)控制；

③四足機器人靜止步態(tài)和動態(tài)步態(tài)的穩(wěn)定實現(xiàn)；

④四足機器人運行過程中所產(chǎn)生的機械噪聲的降低；

⑤改變現(xiàn)有的離線預(yù)編程步態(tài)，提高步態(tài)的實時適應(yīng)性和自平衡能力；

⑥優(yōu)化四足機器人的整體重量和體積，提高機器人通過復(fù)雜地形的能力。

要有效解決以上問題，必須合理進行四足機器人的系統(tǒng)設(shè)計。需要在機械結(jié)計、動力單元匹配、能源系統(tǒng)選擇及控制系統(tǒng)搭建等方面開展深入研究應(yīng)當(dāng)看到，一些早期的四足機器人其控制系統(tǒng)多采用移植了實時操作系統(tǒng)的機以構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心，執(zhí)行單元的驅(qū)動模塊多采用通用器件搭建。

CPG控制方法的引入與改進：

①CPG模型參數(shù)整定方法；

②步態(tài)轉(zhuǎn)換問題；

③對動物整個運動控制系統(tǒng)進行模擬；

④實現(xiàn)機器人整體姿態(tài)與步態(tài)規(guī)劃的聯(lián)動控制。

目前，世界上各國研發(fā)出來的四足機器人離模仿自然界中的動物還有不小的差距，還有一段路要走。