1、1、引言 移動(dòng)機(jī)器人按移動(dòng)方式大體分為兩大類；一是由現(xiàn)代車輛技術(shù)延伸發(fā)展成輪式移動(dòng)機(jī)器人（包括履帶式）；二是基于仿生技術(shù)的運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人按移動(dòng)方式分為足式移動(dòng)、蠕動(dòng)、蛇行、游動(dòng)及撲翼飛行等形式,其中足式機(jī)器人是研究最多的一類運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。 自然環(huán)境中有約50的地形，輪式或履帶式車輛到達(dá)不了，而這些地方如森林，草地濕地，山林地等地域中擁有巨大的資源，要探測和利用且要盡可能少的破壞環(huán)境，足式機(jī)器人以其固有的移動(dòng)優(yōu)勢成為野外探測工作的首選，另外，如海底和極地的科學(xué)考察和探索，足式機(jī)器人也具有明顯的優(yōu)勢，因而足式機(jī)器人的研究得到世界各國的廣泛重視。現(xiàn)研制成功的足式機(jī)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。曾長期作為人類主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動(dòng)物因其優(yōu)越的野外行走能力和負(fù)載能力自然是人們研究足式機(jī)器人的重點(diǎn)仿生對象。因而四足機(jī)器人在足式機(jī)器人中占有很大的比例。長期從事足式機(jī)器人研究的日本東京工業(yè)大學(xué)的広瀨茂男等學(xué)者認(rèn)為：從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機(jī)是最佳的足式機(jī)器人形式1，四足機(jī)器人的研究深具社會意義和實(shí)用價(jià)值。 四足足機(jī)器人的研研究可分為早早期探索和現(xiàn)現(xiàn)代自主機(jī)器器人研究兩個(gè)個(gè)階段。 中國國古代的“木牛流馬”以及國外十十九世紀(jì)由 Rygg 設(shè)計(jì)的“機(jī)械馬”，是人類對對足式行走行行機(jī)器的早期期探索。而 Muybr

3、ridge 在 18999 年用連連續(xù)攝影的方方法研究動(dòng)物物的行走步態(tài)態(tài)，則是人們們研究足式機(jī)機(jī)器人的開端端。20世紀(jì)紀(jì)60年代，機(jī)機(jī)器人進(jìn)入了了以機(jī)械和液液壓控制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展展階段。美國國學(xué)者 Shhigleyy（19600）和 Baaldwinn（19666）都使用凸凸輪連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)動(dòng)的步行車2。這一一階段的研究究成果最具代代表性的是美美國的Mossher于 1968 年設(shè)計(jì)的四四足車“Walkiing Trruck” 3（圖圖1）。80年代，隨著著計(jì)算機(jī)技術(shù)術(shù)和機(jī)器人控控制技術(shù)的廣廣泛研究和應(yīng)應(yīng)用，真正進(jìn)進(jìn)入了具有自自主行為的現(xiàn)現(xiàn)代足式機(jī)器器人的廣泛研研究階段。2、現(xiàn)代自主機(jī)

4、機(jī)器人的研究究狀況以微型計(jì)算機(jī)技技術(shù)廣泛應(yīng)用用為標(biāo)志的現(xiàn)現(xiàn)代四足機(jī)器器人的研究和和應(yīng)用受到世世界廣泛的關(guān)關(guān)注?，F(xiàn)代四四足機(jī)器人研研究最系統(tǒng)和和取得研究成成果最多的是是日本東京工工業(yè)大學(xué)的広広瀨茂男等領(lǐng)領(lǐng)導(dǎo)的広癩福田機(jī)器人人研究室（HHIROSEEFUKUSSHIMA ROBTIICS LAAB），該實(shí)實(shí)驗(yàn)室從800年代開始四四足機(jī)的研究究，持續(xù)研究究20多年，共共試制成功33個(gè)系列、112款四足機(jī)機(jī)器人。發(fā)表表相關(guān)研究論論文172篇篇4。其其它如美國的的MIT,卡卡耐基梅隆大大學(xué)，加拿大大，德國，法法國，新加坡坡，韓國等國國家均有四足足機(jī)器人樣機(jī)機(jī)研制成功。國國內(nèi)也進(jìn)行了了四足機(jī)器人人的基礎(chǔ)研

5、究究和試驗(yàn)研究究，如吉林工工業(yè)大學(xué)，北北京航空航天天大學(xué)、上海海交通大學(xué)，哈哈爾濱工業(yè)大大學(xué)，中國科科技大學(xué)等單單位。表1列列出了國內(nèi)外外主要從事研研究四足機(jī)的的單位和其研研制的典型樣樣機(jī)型。 3、國外研制的的典型樣機(jī)和和主要特征四足機(jī)器人研究究的代表是日日本東京工業(yè)業(yè)大學(xué)的広瀨瀨福田機(jī)器人人研究實(shí)驗(yàn)室室。從80年年開始至今已已研制出3個(gè)個(gè)系列12款款四足機(jī)器人人。第一代四四足移動(dòng)機(jī)器器人KUMOO-I外形似似長腿蜘蛛（圖2），它它是世界上第第一個(gè)具有自自主行走的現(xiàn)現(xiàn)代足式機(jī)器器人5。隨隨后研制成功功世界上第一一個(gè)能上下爬爬行樓梯的四四足機(jī)器人PPV-II（圖圖3）。之后后研制成功兩兩款NIN

6、JJA系列爬壁壁系列機(jī)器人人和8款TIITAN系列列以野外探測測和挖掘地雷雷為使用目標(biāo)標(biāo)的機(jī)器人。其其中最有代表表性的是TIITAN系列列機(jī)器人TIITANVIII6（圖44）。該款機(jī)機(jī)器人的軟硬硬件齊全，功功能比較完備備，具有多種種運(yùn)動(dòng)步態(tài)選選擇。在該上上機(jī)配套先進(jìn)進(jìn)而完整的專專門針對四足足移動(dòng)機(jī)器人人開發(fā)的操作作系統(tǒng)VK-I，因而而該機(jī)器人特特別適合于教教學(xué)研究用。整整機(jī)售出約55O多套給日日本的多個(gè)大大學(xué)和研究所所及世界很多多研究機(jī)構(gòu)作作為基礎(chǔ)研究究和應(yīng)用研究究的平臺。其其基本參數(shù)：每足具有33個(gè)自由度，其其中大腿關(guān)節(jié)節(jié)具有前后轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和上下轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)自由由度，膝關(guān)節(jié)節(jié)具有一個(gè)上上下轉(zhuǎn)動(dòng)自

7、由由度。采用新新型的電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)和繩傳動(dòng)動(dòng)，質(zhì)量約44O kg，有有效負(fù)載57 kg，行行走速度決定定于負(fù)載情況況，一般在00.30.9m/s之之間變化。另另一款有特點(diǎn)點(diǎn)的機(jī)型是99O年代研制制成功TITTAN 型 ,該該步行機(jī)采用用新型的直動(dòng)動(dòng)型腿機(jī)構(gòu)，避避免了上樓梯梯過程中腿間間的干涉，并并采用2段變變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)，對腿的支支撐相和擺動(dòng)動(dòng)相分別進(jìn)行行驅(qū)動(dòng)，能以以50 mmms的速度度，在傾角為為3O4O樓梯上步行行。9O年代代広瀨茂男等等研制成功壁壁面全方位移移動(dòng)系列機(jī)器器人NINJJA-I（圖圖5）及NIINJA-III， NINJAA-I的每條條腿由3自由由度的平行連連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成成，長、

8、寬、高高分別為：11800mmm，500mmm，400mmm，質(zhì)量45kkg，各關(guān)節(jié)節(jié)軸由12個(gè)個(gè)4Ow 的的直流電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)腳腳底的吸盤被被分為2O個(gè)個(gè)小吸盤，產(chǎn)產(chǎn)生大約15500N的吸吸力，上升速速度為48ccmminn，橫向移動(dòng)動(dòng)速度為966cmmiin能在壁壁面及天花板板上全方位移移動(dòng)。近年研研制成功的典典型四足機(jī)器器人是TITTAN-IXX7（圖圖6）。為適適應(yīng)如此復(fù)雜雜的任務(wù)，專專門研制了更更先進(jìn)的機(jī)器器人操作控制制系統(tǒng)VK-II。截至至目前，広瀨瀨福田研究室室已研制出第第12款機(jī)器器人TITAAN-XI8。另外，日本電氣氣通信大學(xué)的的木村浩(HHiroshhi Kimmura

9、)等等研制成功很很有特點(diǎn)的兩兩個(gè)系列四足足步行機(jī)器人人Patruush系列和和Tekkeen系列。二二代PatrrushIII（圖7），用用兩個(gè)微處理理機(jī)控制，采采用瑞士Maaxon直流流伺服電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)關(guān)節(jié)安裝了一一個(gè)光電碼盤盤，每只腳安安裝了兩個(gè)微微開關(guān)。最具具有創(chuàng)新性的的成果是采用用基于神經(jīng)振振蕩子模型CCPG(Ceentrall Patttern GGeneraator)的的控制策略9，10。而CPGG是足式機(jī)器器人近10年年來在控制方方面取得的最最具突破性成成果11。20000-20033年研制成功功具有寵物狗狗外形的機(jī)器器人Tekkken系列的的第四代，TTekkenn3和T

10、ekkken4采采用了新穎的的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和和激光導(dǎo)航系系統(tǒng)12,該系列繼繼承了Pattrush系系列的優(yōu)點(diǎn)。第第四代Tekkken-IIV（圖8）用用一臺PC機(jī)機(jī)系統(tǒng)控制，瑞瑞士Maxoon直流伺服服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每每個(gè)關(guān)節(jié)安裝裝了一個(gè)光電電碼盤、陀螺螺儀、傾角計(jì)計(jì)和觸覺傳感感器。控制系系統(tǒng)也采用基基于神經(jīng)振蕩蕩子模型的CCPG控制器器和反射機(jī)制制構(gòu)成的系統(tǒng)統(tǒng)，其中基于于CPG的控控制器用于生生成機(jī)體和四四條腿的節(jié)律律運(yùn)動(dòng)，而反反射機(jī)制通過過傳感器信號號的反饋，來來改變CPGG的周期和相相位輸出。TTekkenn4 能夠?qū)崒?shí)現(xiàn)不規(guī)則地地面的自適應(yīng)應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對未知的不規(guī)則地面有自適

11、應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。Tekken系列另一特點(diǎn)是利用了激光和CCD攝像機(jī)導(dǎo)航，成功的實(shí)現(xiàn)在封閉回廊中無碰快速行走，且可以辨別和避讓前方存在的人和動(dòng)物。 日本本進(jìn)行四足機(jī)機(jī)器人研究的的還有日本東東北大學(xué)。11992年，日日本東北大學(xué)學(xué)的木村浩(Hirosshi Kiimura)、中野澩二二等研究開發(fā)發(fā)出具有四腿腿和兩輪分別別獨(dú)立移動(dòng)的的混合步行機(jī)機(jī)器人Chaariot-I， 20004年，開開發(fā)出腿輪移移動(dòng)機(jī)器人CCharioot-IIII”，并對其進(jìn)進(jìn)行步態(tài)及控控制方面的研研究。20005年，他們們開發(fā)供高齡齡人、殘疾人人等步行困難難者使用的步步行機(jī)器人CCharioot-IV。該該步行機(jī)具有有較高機(jī)

12、動(dòng)性性和不平地面面步行的穩(wěn)定定性，可自如如地上下臺階階。另外還有有日本的空氣氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室室（Kyotto Uniiv.Tsuuchiyaa Lab）也也在研究四足足機(jī)13。美國的MIT Leg LLab實(shí)驗(yàn)室室早在19886年研制完完成了一款四四足機(jī)器人。美美國的四足機(jī)機(jī)的典型代表表是卡耐基美美隆大學(xué)的BBostonn dynaamics實(shí)實(shí)驗(yàn)室研制的的BigDoog（圖9）和和LittlleDog（圖圖10）。BBigDogg 是最像仿仿生對象的仿仿生機(jī)器人，外外形和體特比比例很像一頭頭兇猛的獵犬犬,負(fù)載 552KG的重重量能夠在粗粗糙的瓦礫地地面或泥濘地地面以不同步步態(tài)自如行走走，野外行走

13、走能力很強(qiáng)。最最大的特點(diǎn)是是具有較強(qiáng)的的機(jī)體平衡能能力，在劇烈烈的側(cè)面沖擊擊作用下，能能保持平衡而而不倒。 在在卡耐基.梅梅隆大學(xué) 22006.111.3 的的機(jī)器人學(xué)術(shù)術(shù)報(bào)告會上，MMartinn Buehhler(DDirecttor off Robootics Bostoon Dynnamicss)稱，已列列入計(jì)劃將BBigDogg的四足機(jī)器器人深入研究究，使其性能能達(dá)到能走、跑跑、平衡、爬爬行等動(dòng)態(tài)移移動(dòng)、運(yùn)載貨貨物、識別粗粗糙地形能力力、自主控制制能力等方面面達(dá)到一個(gè)新新的水平114。 加拿大 McGGill 大大學(xué)智能機(jī)器器中心（Ceentre for iintellligentt

14、 Machhines McGilll Uniiversiity）Ammbulattory 機(jī)機(jī)器人技術(shù)實(shí)實(shí)驗(yàn)室（Ammbulattory RRobotiics Laab）研制了了兩代四足機(jī)機(jī)器人Scoout-I和和Scoutt-II115，Sccout-II主要用來進(jìn)進(jìn)行行走控制制，每條腿只只有l(wèi)個(gè)自由由度，且髖部部只有1個(gè)驅(qū)驅(qū)動(dòng)器盡管管其機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)態(tài)穩(wěn)定性卻很很令人滿意；Scoutt-II是自自主型奔跑機(jī)機(jī)器人，每條條腿的髖部仍仍只有1個(gè)驅(qū)驅(qū)動(dòng)器，不同同的是，每條條腿具有兩個(gè)個(gè)自由度。控控制器只需改改變4個(gè)參數(shù)數(shù)(前腿和后后腿的觸地力力矩和觸地角角度)的設(shè)置置就可以控制制機(jī)器人的運(yùn)

15、運(yùn)動(dòng)。 德國1998年年開發(fā)的四足足機(jī)器人BIISAM。該該機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)由主體、44條腿和頭部部組成。機(jī)器器人總重14.55kg，內(nèi)部部裝有微控制制器、處理器器、電池及立立體攝像頭。 法國的Bourrges (Francce)大學(xué)也也研制成功SSILO4系系列四足機(jī)器器人。韓國Schoool of Mechaanicall Engiineeriing Suungkyuunkwann Univversitty設(shè)計(jì)完成成一款四足爬爬墻機(jī)器人MMRWALLLSPECTT-III，并并完成了從地地面到墻壁的的行走試驗(yàn)16。4、國內(nèi)外機(jī)器器人市場狀況況目前，國際上機(jī)機(jī)器人市場大大概有80億至100億，其

16、其中工業(yè)機(jī)器器人占的比重重最大。20025年，整整個(gè)機(jī)器人市市場將達(dá)到5500億，服服務(wù)機(jī)器人從從原來的3000多萬臺增增加到12000多萬臺，特特種機(jī)器人(如：排爆機(jī)機(jī)器人、醫(yī)療療機(jī)器人等)的呼聲也越越來越高。另另外，微軟等等IT企業(yè)，豐豐田、奔馳等等汽車公司，甚甚至還有家具具、衛(wèi)生潔具具企業(yè)都紛紛紛參與機(jī)器人人的研制.美國和日本多年年來引領(lǐng)國際際機(jī)器人的發(fā)發(fā)展方向，代代表著國際上上機(jī)器人領(lǐng)域域的最高科技技水平。目前前，日本除了了比較關(guān)注特特種機(jī)器人和和服務(wù)機(jī)器人人以外，還注注重中間件的的研制。然而而，近年來日日本基本上在在做模仿性的的工作，突破破性技術(shù)比較較少。而美國國在機(jī)器人領(lǐng)領(lǐng)域的技術(shù)

17、開開發(fā)方面，一一直保持著世世界領(lǐng)先地位位。再有，美美國主要做高高附加值的產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，比如軍軍用機(jī)器人，目目前世界銷售售的90000臺軍用機(jī)器器人之中，有有60%來自美美國。比如：美國最近研研制成功的BBigDogg軍用機(jī)器人人，能負(fù)重1100公斤，行進(jìn)速速度跟人相當(dāng)當(dāng)，每小時(shí)達(dá)達(dá)到五公里，還能能適應(yīng)各種地地形，即使是是在側(cè)面受到到?jīng)_擊時(shí)也能能保持很好的的系統(tǒng)穩(wěn)定性性。在各種機(jī)器人中中，工業(yè)機(jī)器器人應(yīng)用較早早，發(fā)展最為為成熟。同時(shí)時(shí)，技術(shù)的不不斷進(jìn)步一直直在牽引著機(jī)機(jī)器人學(xué)科的的發(fā)展，使機(jī)機(jī)器人的應(yīng)用用領(lǐng)域從工業(yè)業(yè)機(jī)器人擴(kuò)展展到特種機(jī)器器人和服務(wù)機(jī)機(jī)器人等。機(jī)機(jī)器人技術(shù)也也正越來越深深刻地影響著著我

18、們的生活活。在國外，應(yīng)用于于制造業(yè)的機(jī)機(jī)器人取得了了較顯著進(jìn)展展，已成為一一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備備而得到工業(yè)業(yè)界廣泛應(yīng)用用，從而也形形成了一批在在國際上較有有影響力的、知知名機(jī)器人公公司。如德國國的KUKAA、瑞典的ABBB、日本的的安川等。據(jù)據(jù)專家預(yù)測，機(jī)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是是繼汽車、計(jì)計(jì)算機(jī)之后出出現(xiàn)的一種新新的大型高技技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)據(jù)聯(lián)合國歐洲洲經(jīng)濟(jì)委員會會(UNECCE)和國際際機(jī)器人聯(lián)合合會(IFRR)的統(tǒng)計(jì)，20002年至20044年，世界機(jī)機(jī)器人市場年年增長率平均均在10%左右，20005年達(dá)到創(chuàng)創(chuàng)紀(jì)錄的300%，2007年全全球機(jī)器人實(shí)實(shí)際安裝量達(dá)達(dá)到650萬臺，機(jī)機(jī)器人安裝量量比20066年增加3%，達(dá)到了了1143665臺。據(jù)統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，近年來來全球機(jī)器人人行業(yè)發(fā)展迅迅速，20008年全球機(jī)機(jī)器人行業(yè)總總銷售量比22006年增增長25%。