万方数据
机器人２００６年１月
２研究现状（Ｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ）
腿式机器人的研究始于２０世纪６０年代，其动态性能的研究始于２０世纪８０年代，以Ｒａｉｂｅｒｔ对机器人奔跑运动的创始性研究工作为标志．Ｒａｉｂｅｒｔ研制的单腿、双腿和四腿机器人的性能已成为衡量其它腿式机器人性能的标准”“．从现状来看，大量的研究主要集中在双腿、四腿和六腿机器人上，对单腿和八腿机器人的研究相对较少．
２．１单腿（Ｍｏｎｏｐｏｄ）““
尽管单腿机器人在实际应用中存在局限性，但其基本的ＳＬＩＰ（ＳｐｒｉｎｇＬｏａｄｅｄＩｎｖｅｒｔｅｄＰｅｎｄｕｌｕｍ）动力学模型却可以为研究腿式机器人的动态稳定性提供宝贵启示，因此具有一定的研究价值．
图１为加拿大ＭｃＧｉｌｌ大学ＡＲＬ（ＡｍｂｕｌａｔｏｒｙＲｏ—ｂｏｔｉｃｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）实验室研制的第二代单腿机器人，高０．７ｍ，重１８ｋｇ，腿部呈棱柱形，具有柔顺性．整个系统具有７个自由度，但实际上，这７个自由度并不能同时存在．接触地面时具有５个自由度，跃起时具有６个自由度．奔跑时，其速度可达到１．２ｍ／ｓ，而且基于能量的新型自适应反馈控制器精确控制其跃起高度在１ｃｍ之内，整个机械系统的耗电量仅为４８Ｗ，比起第一代单腿机器人１２５Ｗ的耗电量来说，节能问题得到了有效解决．
图１ＡＲＬ单腿机器人二代
Ｆｉｇ．１ＡＲＬＭｏｎｏｐｏｄ
Ｈ
２．２双腿（Ｂｉｐｅｄ）
美国ＭＩＴ大学腿部实验室（ＬｅｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）的Ｄｉｌｗｏｒｔｈ和Ｐｒａｔｔ于１９９４年设计并制造了名为“ＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ”的双腿机器人““，如图２所示．该机器人重大约１０ｋｇ，每条腿均有一个驱动髋和一个驱动膝盖．上端未被驱动的横杠（ｂｏｏｍ）使ＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ不能横滚、偏转和侧向运动，因此ＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ只能在竖直平面内运动．所有的电机都安放在身体的上部，通过电缆向各个关节供电．为使产生的力矩精确作用在关节上，并使机器人具有较强的防震能力，每个自由度都采用了串联弹性驱动法（ｓｅｒｉｅｓｅｌａｓｔｉｃａｃｔｕａ—ｔｉｏｎ），此方法由髋部和膝盖处的弹簧实现．髋部的最大力矩约为１２Ｎｍ，膝部的最大力矩约为１８Ｎｍ．髋部、膝盖和横杠处的电位计测量关节角和机器人身体的倾斜度．控制目标是保持髋到足尖的高度恒定为ｏ．６ｍ．值得一提的是，ＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ的控制器中成功运用了虚拟模型控制（ｖｉｒｔｕａｌｍｏｄｅｌｃｏｎｔｒ０１）方法．在这种方法的控制下，ＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ可以完成简单的连续行走运动，速度约为０，５ｍ／ｓ；髋到足尖的高度基本保持恒定，最大偏差为３ｃｍ；机器人身体倾斜角被控制在±５．２。．
图２双腿机器人ＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ
Ｆｉｇ２ＢｉｐｅｄｒｏｂｏｔＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ
日本本田（Ｈｏｎｄａ）公司从１９９３年至今已经推出了Ｐ系列１、２、３型和“ＡＳＩＭＯ”（ＡｄｖａｎｃｅｄＳｔｅｐｉｎＩｎ－ｎｏｖａｔｉｖｅＭＯｂｉｌｉｔｙ）双腿步行机器人”…“，Ｐｌ身高１９１５ｍｍ，重达１７５ｋｇ，主要是对双腿步行机器人进行基础性的研究工作．通过实验，研究了机器人打开和关闭开关，抓住和旋转门把手以及抓起和搬运物体等动作．Ｐ１型机器人能在已知环境中自动完成一定的工作，能在未知环境中通过操作员的帮助完成一些预先未知的工作，为实现腿、臂的协调运动，用于图像处理、行动规划的计算机和电源等都没有装在机器人身上．
１９９６年１２月，该公司研制出自己的第一台仿人步行机器人Ｐ２，见图３．Ｐ２是自主仿人机器人，身高１８２０ｍｍ，重达２１０ｋｇ，可以像人一样行走．相对Ｐ１而言更加拟人化，具有两只手臂和两条腿．使用Ｍ—ｚｉ电池供电，而且采用了无线遥控技术，使其能够以３ｋｍ／ｈ的速度动态行走、上下楼梯、推动小车和紧螺母等．Ｐ２型机器人共有３０个自由度，其中腿部１２个自由度，臂部１４个自由度，手部４个自由度，通过重力感应器和脚底的触觉感应器把地面的信息传给充
当机器人大脑的电脑，机器人电脑再根据情况进行 万方数据
第２８卷第１期
刘静等：腿式机器人的研究综述
判断，进而平衡身体，稳步前进．但是，Ｐ２也存在一些问题：它又重又高，所以不适于在现实中工作，而且能耗很大，机器人行走时能耗为２７５０Ｗ，需要３００Ｗ的电机．１９９７年１２月，本田公司又推出了Ｐ３型仿人机器人，见图４，基本上与Ｐ２型相似，但较Ｐ２更小更轻，身高１６００ｒａｍ，体重１３０ｋｇ，性能和行走能力也有所提高．
图３本田“Ｐ２”仿人机器人图４本田“Ｐ３”仿人机器人
ｎｇ．３“Ｐ２”ｈｕｍａｎｏｉｄ。ｆＨｏｎｄａ
Ｆｉｇ４“ＩＢ”ｈｕｍａｎｏｉｄｏｆＨｏｎｄａ
２０００年１１月．Ｈｏｎｄａ公司又推出了新一代的仿人机器人ＡＳＩＭＯ，见图５．ＡＳＩＭＯ身高１２００ｍｍ，肩宽４５０ｍｍ．前胸至背包厚度４４０ｍｍ，重量５２ｋｇ，行走速度可达１．６ｋｍ／ｈ，握力０．５ｋ吕／ｈａｎｄ（５指可自由活动）．ＡＳＩＭＯ可以在２６个自由度上运动，使其活动形式很象人类，其中脖子上有２个自由度，每个胳膊和腿上各有６个自由度．ＡＳＩＭＯ能平稳地行走和转弯、上下楼梯、在斜坡上行走、调整行走步调和步幅、改变行走速度、操作灯光开关和门把，甚至跳舞．ＡＳＩＭＯ采用具有即时预测运动控制系统的“Ｉ－ＷＡＬＫ”技术，这能让ＡＳＩＭＯ行走和转弯时更加顺畅．
北京理工大学在国家８６３计划机器人技术主题项目的资助下于２００２年研制出仿人机器人ＢＲＨ—Ｏｌ【１“…。如图６所示．
研究人员完成了仿人机器人的总体方案设计，机构和控制系统的设计、加工和装调，步态规划与实时算法，感知与人机交互技术，系统集成技术，仿真与实验等内容的研究．该仿人机器人身高１．５８ｍ，体重７６ｋｇ，全身共有３２个自由度，手脚可以旋转３６０。，步幅０，３３ｍ，行走速度ｌｋｍ／ｈ．除能打太极拳外，这个机器人还会腾空行走，并能根据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面上的稳定行走．
．
２．３四腿（Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ）
腿式机器人对地面较强的适应性使之可以在不同的环境中行走，然而，环境的多样性造成机器人在行走时发生振颤，这时摄像机的视觉图像也必然会随之振动，影响机器人对周围环境的判断能力，很可能导致错误的决策．Ｅｌ本东京大学机械信息学系研制开发了一种基于视觉的具有智能行为的四腿机器
人——＿ＪＲＯＢ一１”“，旨在解决上述问题，见图７．系统
的硬件由４部分组成：机器人本体。富士通视觉跟踪模块（ＴＲＶ－ＣＰＤ６），富士通机器人界面模块（ＲＩＦ－０１）和电机驱动器（ＴＩＴＥＣＨＭＤ）．系统软件分为４个层次：运动产生层，应用层，自主层和内核层．Ｌｉｎｕｘ实时操作系统（ＲＴＯＳ—Ｌｉｎｕｘ）完成整个机器人系统各个任务间的调度，包括：腿部１２个自由度的控制，视觉跟踪，视觉信息处理，传感器信息处理等．
图７四腿机器人ＪＲＯＢ一１
Ｆｉｇ．７
ＱｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔＪＲＯＢ一１
新加坡南洋理工大学机械生产工程学院研制的四腿机器人主要用于机械结构设计、运动控制及步态分析的研究，图８是对机械结构进行改进后的机器人…１．
加拿大ＭｃＧｉｌｌ大学也研制了两代四腿机器人，
ＳｃｏｕｔＩ和ＳｃｏｕｔＩＩＬｔｌＪ，如图９和图ｌＯ所示．
Ｓｃｏｕｔ主要用来进行行走控制，每条腿只有１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；ＳｃｏｕｔＩＩ是自主型奔跑
Ｆ图ｉ
５ＡＳＩＭＯｈｕｍａｎｏｉｄｏｆＨｏ。ｃｌａ
Ｆｉｇ６
Ｂ碰ｔ４）ｌｈｎｍａｎｄｄｒｏｂｏｔ
ＩＡｔ“
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．
元，坶宋ｍ巨异伺州’Ｉ’日Ｊ曼?住利葡足商以父斗，ｌ多
万方数据
机器人２００６年１月
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．
图８改进后的四腿机器人
Ｆｉｇ．８Ｉｍｐｒｏｖｅｄｑｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔ
图９四腿机器人ＳｃｏｕｔＩＦｉｇ９ＱｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔＳｃｏｕｔＩ
图１０四腿机器人ＳｃｏｕｔＩＩ
Ｆｉｇ１０ＱｕａｄｒｕｐｅｄｍｂｏｔＳｃｏｕｔⅡ
腿式机器人的研究的确取得了不，Ｊ、的进展，但大多数都是围绕底层的机构设计、腿部协调运动、步态控制、稳定性及多种传感器的应用等方面展开的…．腿式机器人欠缺的是基于感知（ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ—ｂａｓｅｄ）的高级控制方法，如果将这种高级控制方法运用到腿式机器人的控制中去，那么机器人将更加智能化，腿式机器人的发展也将产生飞跃．为此，美国空军研究院电机工程系研制了四腿机器人——ＲＯＡＣＨ．该机器人不仅可以通过步态控制实现直线前进、运动方向改变和楼梯攀登，而且机器人利用物体识别算法可以实时判断它和目标物体（以楼梯为倒）的相对位置，这样机器人就可以实旌路径规划，逐步接近楼梯，直至开始攀登．
在物体识别算法中共有４个坐标系：世界坐标系、摄像机坐标系、物体坐标系和机器人坐标系．其中，假设世界坐标系和物体坐标系重合，机器人坐标系原点与机器人重心重合，这样该算法中实际只有３个坐标系．由于ＣＣＤ摄像机搭载在机器人本体上，因此摄像机坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵是已知的，这样问题就转化为寻求一个能够描述摄像机坐标系和世界坐标系相对位置的６参数矩阵，若此矩阵求出．机器人相对物体的位置便可求了．
２．４六腿（Ｈｅｘａｐｏｄ）
自然界节肢动物为大部分六腿机器人的设计提供了灵感，特别是蟑螂．蟑螂之所以作为机器人设计的模板，是因为它在奔跑中具有突出的快速性敏捷性和稳定性，而且其结构和生理学知识也为科学家所熟知．蟑螂的６条腿可分为两组，左侧前腿、婿腿和右侧中间腿为一组，左侧中间腿和右侧前腿、后腿为另一组．研究表明，运动时这两组腿交替蕾地，形成“三脚架”式（ｔｒｉｐｏｄ）步态，这种步态不仪静态稳定，而且速度快，效率高．运动中６条腿所起的作月ｊ也是不同的，前腿负责减速，后腿负责加速，中间腿既加速又减速；转弯时，内侧和外侧的腿对力和力矩的产生也起着不同的作用［２，４，５．２３ｌ冈此，文献［１４指出：在从生物学角度寻求设训灵感时，应该探究和提炼生物高效运动的基本原埋，井把这些原理也正确运用到机器人的设计中去
上海交通大学电子信息技水系的研究人员研制了一种仿生六腿机器八‘该机器人的体积不到３０ｒａｍ×２０ｍｍｘ２０ｍｍ，采用电磁驱动和“三脚架”式步态，可实现昆虫具有的基本运动，如前后移动、左右转弯和跨越小障碍．而且转弯曲率约为０．０３ｒａｍ。，这个指标对控制机器人来说是ａ｝常重要的，特别是在诸如机器人探测和多机器人协作的特殊场合下．避碰是机器人必须具备的基本能力，这时转弯曲率将直接反映机器人的灵敏性．
美国伊利诺斯大学的Ｄｅｌｃｏｍ）ｎ和Ｎｅｌｓｏｎ在对蟑螂的生理结构进行仔细研究后，制造了著名的仿生机器人Ｂｉｏｂｏｔ”’，见图Ｊ１．该机器人的体积为５８ｃｍ×１４ｃｍｘ２３ｃｍ，重１１ｋｇ，站立时离地面１５ｅｍ．
图１１六腿仿生机器人Ｂｉｏｂｏｔ
Ｆｉｇ１１Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｅｒｏｂｏｔ
Ｂｉｏｂｏｔ
每条腿都分为３段，分别对应于蟑螂腿部的髋（ｃｏｘａ）、股节（ｆｅｍｕｒ）和胫节（ｔｉｂｉａ）３个主要部分．腿部的设计有两个特点：前、中、后三对腿的长度是不同的，比例是１：１．１：１．５，其中前腿长３８ｃｍ；前、中、后三对足的髋部与身体的连接角度也不同．这样，尽管
腿部安放紧凑，也不会在行走中发生机械碰撞． 万方数据
第２８卷第１期刘静等：腿式机器Ａ灼研究综述
美国ＣａｓｅＷｅｓｔｅｒｎＲｅｓｅｒｖｅ大学也一直致力于仿生六腿机器人研究工作，研制和开发了仿生蟋蟀机器人和仿生蟑螂机器人．
美国密歇根‘：学．卡内基梅隆大学、ｕｃ伯克利大学和加拿大ＭｃＧｉ［１人学组成的研究组成功研制了图１２所示的仿生自主机器人ＲＨｅｘ…川．
图１２崎岖地形中和攀登楼梯的ＲＨｅｘＦｉｇ．１２ＲＨｅｘｉｎｔＯＬｌ出ｔｅｒｒａｉｎａｎｄｏｎｓｔａｉｒｓ
ＲＨｅｘ以“三脚架”式步态运动，６条腿具有柔顺性；每条腿只有１个驱动器，位于髋部；当遇到障碍物，需要其以较高距离离开地面时，ＲＨｅｘ的腿可以旋转一周．控制器采用关节空间闭环、任务空间开环的控制策略，通过改变５个参数值控制机器人的步态．实验证明，ＲＨｅｘ可以较高速度穿越布有较大障碍物的路径，乎西ｆ上的速度可达到０．５ｍ／ｓ．
美国卡内基梅隆大学研制了自主六腿机器人Ａｍｂｌｅｒ．Ａｍｂｌｅｒ不是仿生机器人，它专为行星探测而设计ｏ’ｌ，如图１３所示．
图１３六腿机器人Ａｍｂｌｅｒ
Ｆｉｇ１３ＴｈｅＡｍｂｌｅｒ
ｒｏｂｏｔ
该机器人有三太特点：行走时始终保持身体水平，便于携带和操作科学仪器；６条腿被分为两组，每组３条腿，这与仿生机器人腿部的分布方式明显不同，６条腿互相正交，可将运动在水平和垂直方向上分解，不仅降低了功耗，而且简化了运动规划和控制；Ａｍｂｌｅｒ特殊的腿部分布方式使它具有一种独特的弧形步态（ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｇａｉｔ）：最后面的一条腿绕中央轴旋转，从机器人身体的中央穿过，到达最前方，从而实现了Ａｍｂｌｅｒ的前进运动．这种步态使得机器
人在崎岖地形上行走时所需的讧足点大大减少，灵活性更高此外，Ａｍｂｌｅｒ具有一定的智能，机器人的顶部固定一个激光测距仪，＿｝；『｜泉描绘地形的三维图像，为机器人的行为决策提供有利信息，
２．５八腿（Ｏｃｔｏｐｏｄ）
文［３］介绍了名为“ＲｅＣＵＳ”的八腿机器人，该机器人由两个矩形结构组成，每个矩形结构都包含４个可垂直伸缩的腿．向前运动时，一个矩形结构支撑身体，而另一个矩形结构抬起前进．ＲｅＣＵＳ靠改变抬超的矩形结构相对于支撑的矩形结构的位置来改变行进方向．这种结构式八腿机器人的缺点在于，它的腿分布比较集中，这样当地形崎岖、落脚点少时．它的适用性就受到限制了．
３研究方法（Ｒｅｓｅａｒｃｈａｐｐｒｏａｃｈｅｓ）
尽管腿式机器人的研究平台有很多，但其中的许多还达不到最简单生物的速度和稳定性，腿式机器人的发展还处于起步阶段”．５Ｊ．不过可以肯定的是，在机器人学和生物学领域的科学家们的共同研究和探索下，目前已经形成了一些关于腿式机器人在机械结构设计、稳定性分析和控制算法方面的理论，这些理论运用到实践中后，机器人的性能有所改进，但它们还需要迸一步地完善和发展，以更好地指导实践．
３．１机械结构
文［１１］认为，若想成功设计一个腿式机器人研究平台，必须在设计之初就把系统的各个方面考虑在内，包括系统所需的运行时间、系统所要达到的性能指标等文［２５］认为，机器人的设计不能过分考虑机械、电子和控制方面的问题，这样不利于用实验验证高层问题的研究；机器人设计也不能过于简单，这
样将严重限制研究高层课题的可能性． 万方数据
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腿式机器人的研究综述
作者：刘静， 赵晓光， 谭民， LIU Jing， ZHAO Xiao-guang， TAN Min
作者单位：中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京,100080
刊名：
机器人
英文刊名：ROBOT
年，卷(期)：2006,28(1)
被引用次数：27次
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