智能機器人技術與應用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術應用專業(yè)系列教材第5課特種機器人231知識目標（1）熟悉特種機器人的定義及其應用場景。（2）熟悉四足仿生機器人，了解其相關核心技術。（3）熟悉系列仿生機器人，了解特種機器人的行業(yè)發(fā)展。能力目標（1）掌握專業(yè)知識的學習方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）積極參與“研究性學習小組”活動，提高組織能力，具備團隊精神。素質目標（1）熱愛學習，掌握學習方法，提高學習能力。（2）熱愛讀書，善于分析，勤于思考，培養(yǎng)關注技術進步的優(yōu)良品質。（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業(yè)素質。學習目標

愿景

體驗

創(chuàng)意

實踐重點難點（1）特種機器人的應用場景與技術發(fā)展。（2）仿生機器人及其核心技術。目錄什么是特種機器人01機器人的可移動性02典型特種機器人03四足仿生機器人042021仿生機器人05第5課特種機器人與工業(yè)機器人不同，特種機器人工作環(huán)境具有多樣性和復雜性，其有關信息往往是多義、不完全或不準確的，而且可能隨著時間改變。什么是特種機器人0101

什么是特種機器人所謂特種機器人，是指除工業(yè)機器人、公共服務機器人和個人服務機器人之外的、應用于非制造業(yè)專業(yè)領域的各種先進機器人，包括水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、電力機器人、建筑機器人、物流機器人、安防與救援機器人、核工業(yè)機器人、礦業(yè)機器人、石油化工機器人、市政工程機器人等行業(yè)機器人。實際上，服務機器人也屬于特種機器人類別，但特種機器人一般由經(jīng)過專門培訓的

人員操作或使用的，輔助和/或代替人

執(zhí)行任務。01

什么是特種機器人根據(jù)特種機器人使用的空間（陸域、水域、空中、太空），可將特種機器人分為：地面機器人、地下機器人、水面機器人、水下機器人、空中機器人、空間機器人和其他機器人。根據(jù)特種機器人的運動方式，可分為：輪式機器人、履帶式機器人、足腿式機器人、蠕動式機器人、飛行式機器人、潛游式機器人、固定式機器人、噴射式機器人、穿戴式機器人、復合式機器人和其他運動方式機器人與工業(yè)領域的機器人不同，特種機器人的工作環(huán)境具有多樣性和復雜性，其使用環(huán)境的有關信

息往往是多義、不完全或不準確的，而且可能隨著時間改

變。機器人的可移動性0202

機器人的可移動性特種機器的移動機構主要有輪式、足式、履帶式和混合式（見圖5-7~圖5-10）。此外還有步進式、蠕動式、蛇行式和混合式移動機構，以適應不同的工作環(huán)境和場合。室內(nèi)移動機器人通常采用輪式移動機構，為了適應野外環(huán)境的需要，室外移動機器人多采用履帶式移動機構。一些仿生機器人，通常模仿某種生物運動方式而采用相應的移動機構。其中輪式的效率最高，但適應性能力相對較差；而足式的移動適應能力最強，但其效率最低。02

機器人的可移動性圖5-7輪式移動機構02

機器人的可移動性圖5-8足式移動機構02

機器人的可移動性圖5-9履帶式移動機構02

機器人的可移動性圖5-10混合式移動機構典型特種機器人0303

典型特種機器人特種機器人發(fā)展非常迅速，新機型不斷問世，整機性能不斷提高，應用領域越來越廣泛。管道檢測機器人水下機器人農(nóng)林機器人消防機器人仿生機器人軍用機器人04

四足仿生機器人空間機器人03

典型特種機器人5.3.1管道檢測機器人地下管網(wǎng)猶如城市的“血管”和“神經(jīng)系統(tǒng)”，關乎電力、排水、通信等安全，甚至關系到社會民生的發(fā)展。但一般城市管道系統(tǒng)尚無定期巡檢制度，而且工作環(huán)境惡劣、檢測難度大。管道的檢測和維護可以采用管道檢測機器人（見圖5-11）來進行，這是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機械，“身材”小巧，可鉆入小直徑的地下管道，具有防水、抗高溫和重量輕等特點，可以超過0.5米/秒的速度在-30℃到50℃的環(huán)境中連續(xù)工作。管道檢測機器人可以攜帶一種或多種

傳感器及操作裝置，如CCD攝像機、位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、

管道清理裝置、管道焊接裝置、簡單的操作機械手等，在操作人員的控制下進行管

道檢測維修作業(yè)。03

典型特種機器人圖5-11管道檢測機器人03

典型特種機器人管道檢測機器人能通過多傳感器融合技術準確判斷管道泄漏點，檢測管道內(nèi)部是否存在破裂、變形、腐蝕、異物侵入、沉積、結垢和樹根障礙物等病害，在施工、維護保養(yǎng)、定期檢驗中發(fā)揮重要作用。在技術上，這種機器人包含履帶式爬行器、控制系統(tǒng)以及電動收線車系統(tǒng)3部分。爬行器配備前置多維度旋轉云臺攝像頭、470線分辨率、10倍光學變焦及白光高功率鹵素燈照明，可在管道內(nèi)直視和側視，靈活觀察，提供清晰的成像效果。同時，在高分辨率彩色監(jiān)視器上實時顯示

管道內(nèi)視頻畫面信息以及聲吶分析圖像，并將所探測到的

狀況實時提供給檢測工作人員，從而形成準確、專業(yè)的檢

測報告，為后期管道修復工作提供可靠依據(jù)。03

典型特種機器人5.3.2水下機器人進行海洋科學研究、海上石油開發(fā)、海底礦藏勘測、海底打撈救生等，都需要開發(fā)海底載人潛水器和水下機器人技術。因此，發(fā)展水下機器人意義重大。水下機器人的種類很多，如載人潛水器、遙控有纜水下機器人、自主無纜水下機器人等。水下機器人也稱無人遙控潛水器，主要分兩類，一類為

觀測級，主要用于海洋科考等，功率相對較??；另一類

為作業(yè)級，主要用于海洋救撈、海底施工作

業(yè)等，功率相對較大。

圖5-12水下機器人03

典型特種機器人水下機器人所處的水下環(huán)境要比水上環(huán)境更為復雜，所以需要更加過硬的本領才能完成正常的工作。復雜的智能控制系統(tǒng)和監(jiān)測識別系統(tǒng)是水下機器人的關鍵技術，保證了水下機器人可以正常穩(wěn)定運動和看清周圍環(huán)境。目前全球范圍內(nèi)功率最大的無人遙控潛水器ROV主要用于對深海水下沉船沉物等進行應急救險、搜尋和打撈等作業(yè)，也能應用到海洋深水工程輔助作業(yè)等方面。它憑借其強大動力，能深入3000米海底，輕松提起4噸的重物。同時，該機器人的操作精度非常高，能達到幾毫米，可在

水下?lián)炱鹨桓槨?3

典型特種機器人2015年3月19日，中國自主建造的首艘深水多功能工程船——海洋石油286進行深水設備測試，首次用水下機器人將五星紅旗插入南海近3000米水深海底。海洋石油286深水工程船是世界頂級技術難度的海洋工程船舶，專門用于深海油氣資源開發(fā)，其技術含量高，具有優(yōu)異的操縱性和耐波性，配有升沉補償功能的400噸大型海洋工程起重機和最大作業(yè)水深的水下機器人，具有深水大型結構物吊裝、臍帶纜與電纜敷設、飽和潛水作

業(yè)支持以及深水設施檢驗、維護等多項功能，綜合作業(yè)能

力在國際同類船舶中處于領先地位。

圖5-13海洋石油286水下機器人03

典型特種機器人5.3.3農(nóng)林機器人農(nóng)林機器人可以提高勞動生產(chǎn)率，解決勞動力的不足；改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，防止農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害，提高作業(yè)質量等。農(nóng)業(yè)機器人有如下的特點：（1）農(nóng)業(yè)機器人一般要求邊作業(yè)邊移動；（2）農(nóng)業(yè)領域的行走不是連接出發(fā)點和終點的最短距離，而是具有狹窄的范圍，較長的距離及遍及整個田間表面的特點；（3）使用條件變化較大，如氣候影響，道路的不平坦和在傾斜的地面上作業(yè)，還須考慮左右搖擺的問題；（4）農(nóng)業(yè)機器人的使用者是農(nóng)民，一般不具有機械電子知識，因此要求農(nóng)業(yè)機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點。03

典型特種機器人嫁接機器人技術是近年在國際上出現(xiàn)的一種集機械、自動控制與園藝技術于一體的高新技術，它可在極短的時間內(nèi)，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高；同時由于砧、穗木接合迅速，避免了切口長時間氧化和苗內(nèi)液體的流失，從而可以大大提高嫁接成活率。圖5-14農(nóng)林嫁接機器人03

典型特種機器人林木球果采集機器人可以在較短的林木球果成熟期大量采摘種子，對森林的生態(tài)保護、森林的更新以及森林的可持續(xù)發(fā)展等方面都有重要的意義。它一般由機械手、行走機構、液壓驅動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。

圖5-15林木球果采集機器人03

典型特種機器人5.3.4消防機器人石化等基礎工業(yè)的飛速發(fā)展，帶來了生產(chǎn)過程中易燃易爆和劇毒化學制品的急劇增長。由于設備和管理方面的原因，導致化學危險品和放射性物質泄漏、燃燒爆炸的事故增多。消防機器人作為特種消防設備，可代替消防隊員接近火場實施有效的滅火救援、化學檢驗和火場偵察。它的應用將提高消防部隊撲滅特大惡性火災的實戰(zhàn)能力，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。03

典型特種機器人當在隧道內(nèi)發(fā)生火災時，通常消防隊員不得不在濃煙和高溫的危險環(huán)境下在隧道內(nèi)滅火，于是產(chǎn)生了在惡劣條件下工作的消防機器人的研究。當消防人員難于接近火災現(xiàn)場滅火時，或有爆炸危險時，便可使用遙控消防機器人（見圖5-16）。這種機器人裝有履帶，最大行駛速度可達10公里/小時，每分鐘能噴出5噸水或3噸泡沫。用于在狹窄的通道和地下區(qū)域例如隧道進行滅火。例如機器人高45厘米，寬74厘米，長120厘米，由噴氣式發(fā)動機或普通發(fā)動機驅動行駛。當機器人到達火災現(xiàn)場時，為了撲滅火焰，噴嘴將水流轉變成高壓水霧噴向火焰。03

典型特種機器人圖5-16遙控消防機器人03

典型特種機器人當發(fā)生火災時，消防機器人可以噴射60米至80米長的水柱，覆蓋到三四層樓高。它的履帶采用特殊材質加工而成，最高可承受750℃高溫；可通過遠程遙控行走、爬坡、登梯及跨越障礙物；適應多種環(huán)境，耐高溫、抗熱輻射、防雨淋、防化學腐蝕、防電磁干擾等，能夠全天候持續(xù)工作。消防（滅火）機器人獨有的透霧及精準識別功能，可作為消防作戰(zhàn)中的先遣兵，準確識別火場中遺留人員和火源位置，使得救援更有效、滅火更迅速。其自身裝有自噴淋降溫系統(tǒng)，可在火場中保持長時間作業(yè)的能力，甚至可穿越火帶（見圖5-17）。03

典型特種機器人圖5-17消防機器人03

典型特種機器人這種機器人還具有“排爆”功能。它的機械臂靈活輕巧、自由度大、性能穩(wěn)定、整體適應性強。它可在泥濘路面、城市廢墟、煤礦及油田等多種地形快速移動，對危險物進行探測、抓取、轉移、搬運、銷毀，可代替安檢人員到化工類易燃易爆場所對可疑物進行實地勘察。此外，在消防領域，還有消防偵察機器人、攀登營救機器人、現(xiàn)場救護機器人等等。03

典型特種機器人5.3.5仿生機器人許多機器人都屬于仿人或者仿生機器人，是模仿人或者動物的形態(tài)和行為而被設計與制造出來的，一般分別或同時具有仿人或動物的四肢和頭部。獵豹機器人做的比較好的機構主要有兩家，一個是波士頓動力，一個是麻省理工學院。圖5-18獵豹機器人03

典型特種機器人波士頓動力的獵豹機器人通過背部鉸鏈關節(jié)的來回運動，改變運動的步長和步頻來實現(xiàn)機器人速度的改變，這里的靈感正是來自模仿真實動物的運動特性。波士頓動力的獵豹機器人在實驗室的一臺跑步機上完成各項試驗。在跑步機上，獵豹通過一臺液壓泵提供動力。下一代獵豹機器人又名野貓，將會離開繩索的牽絆，在陸地上真正的跑動起來。03

典型特種機器人波士頓動力的獵豹機器人是目前世界上運動速度最快的腿式機器人，約為29邁，打破了MIT在1989年創(chuàng)下的13.1邁的歷史記錄。獵豹項目受美國國防高級研究計劃局（DARPA）的最大限度移動和操控項目的資助。MIT獵豹通過研究真實生物的肌腱結構，認為肌腱結構能夠減小沖擊力，增加腿部的強度。通過有限元分析，研究人員設計了類似的肌腱結構足部，并在兩個肌腱之間加入了彈簧以增加一定的柔順性。這就使得MIT獵豹具有十分出色的彈跳及越障能力。而且通過對關節(jié)處驅動電機的改裝以及尾巴的加入，使得MIT獵豹擁有高速奔跑的能力和良好

的平衡性。通過實驗，其可以在8.3千米每小時的速度下奔

跑2.23小時，或者運用3千克的電池跑10千米。03

典型特種機器人仿生類機器人，都是人們通過對自然界的“天才”們進行觀察和研究后，利用它們經(jīng)過數(shù)百年進化后得到的出色的外形特點與運動特性而設計出來的，這些機器人很多都可以用來充當人類的助手，通過它們來完成人類不能完成的一些任務。圖5-19仿生機器人結構03

典型特種機器人5.3.6軍用機器人軍事機器人是指為了軍事目的而研制的自動機器人，在未來戰(zhàn)爭中，自動機器人士兵會成為對敵作戰(zhàn)的軍事行動的主力之一。其中，地面軍用機器人是指在地面上使用的機器人系統(tǒng)，它們不僅在和平時期可以幫助軍警排除炸彈、完成要地保安任務，在戰(zhàn)時還可以代替士兵執(zhí)行掃雷、偵察和攻擊等各種任務。美、英、德、法、日等

國均已研制出多種型號的地面軍用機器人。

圖5-20軍用機器人03

典型特種機器人（1）程序變異。毫無疑問，未來戰(zhàn)爭中，自動機器人士兵將成為作戰(zhàn)主力。但是，美國海軍研究室帕特里克·林博士在一份關于機器人士兵的研究報告《自動機器人的危險、道德以及設計》中，對美國軍方使用機器人提出警告，機器人程序可能發(fā)生變異，建議為軍事機器人設定道德規(guī)范。研究人員認為，必須對軍事機器人設定嚴格限制，否則世界就有可能毀于它們的鋼鐵之手。上述報告中表示，為軍事機器人設定道德規(guī)范是一項嚴肅的工作，人類必須正視快速發(fā)展

的機器人，它們足夠聰明，甚至最后可能展示出超過現(xiàn)代士

兵的認知優(yōu)勢。03

典型特種機器人帕特里克·林博士在報告中說：“現(xiàn)在存在一個共同的誤解：認為機器人只會做程序中規(guī)定它們做的事情?？刹恍业氖牵@種想法已經(jīng)過時了，一個人書寫和理解程序的時代已經(jīng)一去不復返了。”林博士說，實際上，現(xiàn)在的程序大都是由一組程序師共同完成的，幾乎沒有哪個人能完全理解所有程序。因此，也沒有任何一個人能精確預測出這些程序中哪部分可能發(fā)生變異。如何能夠保護機器人士兵不受恐怖分子、黑客的襲擊或者出現(xiàn)軟件故障呢？如果機器人突然變得狂暴，誰應該負責呢，是機器人的程序設計師還是美國總統(tǒng)？機器人應該有“自殺開關”嗎？林暗示說，唯一解決這些問題的辦法就是提前為機器人設定“密碼”，包括倫理道德、法律、社會以及政治等因素。03

典型特種機器人（2）警告程序師不要急于求成。報告還指出，現(xiàn)今美國的軍事機器人設計師往往急于求成，常常會將還不成熟的機器人技術急匆匆推入市場，促使人工智能的進步在不受控制的領域內(nèi)不斷加速發(fā)展。更糟糕的是，目前還沒有一套控制自動系統(tǒng)出錯的有效措施。如果設計出現(xiàn)錯誤，足以讓人類付出生命的代價。03

典型特種機器人（3）機器人軍團正在組建。目前一些國家正在組建機器人部隊，其機器人已開始執(zhí)行偵察和監(jiān)視任務，替代士兵站崗放哨、排雷除爆。英國謝菲爾德大學計算機系教授夏基認為，機器人的成本僅是士兵的1/10，它替人類廝殺疆場的場景，將有可能在10年內(nèi)變成現(xiàn)實，可降低士兵傷亡率達60%至80%。世界在不知不覺中滑進了機器人軍備競賽，而研制出能夠決定在什么時候以及向誰動用致命武力的機器人，也許就在今后10年之內(nèi)。03

典型特種機器人2004年美軍僅有163個地面機器人。2007年則增長到5000個，至少10款智能戰(zhàn)爭機器人在伊拉克和阿富汗“服役”。部署到阿富汗的智能機器人“赫耳墨斯”主要用于探穴鉆洞，它身上安裝有兩個照相機，能爬進漆黑洞穴并向外發(fā)送圖片；美軍機器人“劍”在伊拉克戰(zhàn)場更是神通廣大，它能輕易通過任何阻礙，備彈200發(fā)，裝備一挺經(jīng)改造的M249型機槍，射速高達1000發(fā)/分鐘，火力強度足以與一挺重機槍媲美；而“背包”機器人則能在巷戰(zhàn)環(huán)境中捕捉、分辨反美武裝狙擊手的細微動靜；“嗅彈”機器人能靈敏地嗅出偽裝起來的爆炸物……03

典型特種機器人（4）駐伊美軍機器人“叛亂”，正式部署前線僅11小時后便被召回。曾有3臺帶有武器的“劍”式美軍地面作戰(zhàn)機器人被部署到了伊拉克，但是這支遙控機器人小隊還未開一槍就很快被從戰(zhàn)場撤回——因為它們做了可怕的事情：將槍口對向它們的人類指揮官。美陸軍地面作戰(zhàn)指揮官凱文·法赫證實，這些機器人的“槍管在操作者未發(fā)指令的時候自己移動”，也就是說，“劍”式機器人工作時將槍口指向友軍部隊，而這也導致這支機器人部隊在正式部署前線僅11小時后便被召回。法赫證實機器人并未開火，也無任何人類在此次事件中傷亡。但這并不意味著零損失，所有關于機器人作戰(zhàn)的研究項目都可能因此取消。法赫稱：“一旦遇到如此嚴重的事變，我們必須花上10年乃至20年，推倒重來?！币虼?，我們必須再等上很久才能看到機器人和人類并肩作戰(zhàn)了。這不僅僅對于機器人工業(yè)是重大損失，而且也樹立了一個重要先例：關于機器人的任何試驗都必須以無人類傷亡為絕對前提。03

典型特種機器人5.3.7空間機器人空間機器人是用來空間探測活動的特種機器人，它是一種輕型遙控機器人，可在行星的大氣環(huán)境中導航及飛行。惡劣的空間環(huán)境給人類在太空的生存活動帶來了巨大的威脅。要使人類在太空停留，需要有龐大而復雜的環(huán)境控制系統(tǒng)、

生命保障系統(tǒng)、物質補給系統(tǒng)、救生系統(tǒng)等，

這些系統(tǒng)的耗資十分巨大。

圖5-21空間機器人03

典型特種機器人在未來的空間活動中，將有大量的空間加工、空間生產(chǎn)、空間裝配、空間科學實驗和空間維修等工作要做，這樣大量的工作是不可能僅僅只靠宇航員去完成，還必須充分利用空間機器人?？臻g機器人主要從事的工作有：（1）空間建筑與裝配。一些大型的安裝部件，比如無線電天線、太陽能電池、各個艙段的組裝等艙外活動都離不開空間機器人，機器人將承擔各種搬運、構件之間的連接緊固、有毒或危險品的處理等任務。在不久的將來，人類空間站初期建造一半以上的工作都將由機器人完成。03

典型特種機器人（2）衛(wèi)星和其他航天器的維護與修理。隨著太空活動的不斷發(fā)展，人類在太空的“財產(chǎn)”也越來越多，其中人造衛(wèi)星占了絕大多數(shù)。這些衛(wèi)星一旦發(fā)生故障，丟棄它們再發(fā)射新的衛(wèi)星很不經(jīng)濟，必須設法修理后使它們重新發(fā)揮作用。但是，如果派宇航員去修理，又牽涉到艙外活動的問題，而且由于航天器在太空中處于強烈宇宙輻射的環(huán)境之下，人根本無法執(zhí)行任務，所以只能依靠機器人?？臻g機器人所進行的維護和修理工作有回收失靈衛(wèi)星，故障衛(wèi)星就地修理，為空間飛行器補給物資等。03

典型特種機器人（3）空間生產(chǎn)和科學實驗。宇宙空間為人類提供了地面上無法實現(xiàn)的微重力和高真空環(huán)境，利用這一環(huán)境可以生產(chǎn)出地面上無法或難以生產(chǎn)出的產(chǎn)品。在太空中還可以進行地面上不能做的科學實驗。和空間裝配，空間修理不同，空間生產(chǎn)和科學實驗主要在艙內(nèi)環(huán)境進行，操作內(nèi)容多半是重復性動作，在多數(shù)情況下，宇航員可以直接檢查和控制。這時的空間機器人如同工作在地面的工廠生產(chǎn)線一樣。因此，可以采用的機器人多是通用型多功能機器人。03

典型特種機器人空間和地面環(huán)境差別很大，因此，空間機器人與地面機器人的要求也必然不相同，有其自身的特點。首先，空間機器人的體積比較小，重量比較輕，抗干擾能力比較強。其次，空間機器人的智能程度比較高，功能比較全?？臻g機器人消耗的能量要盡可能小，工作壽命要盡可能長，而且由于是工作在太空這一特殊環(huán)境中，對它的可靠性要求也比較高。空間機器人在保證空間活動的安全性，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，擴大空間站的作用等方面都將發(fā)揮巨大的作用。四足仿生機器人0404

四足仿生機器人山地四足仿生無人平臺是滿足極端粗糙、復雜地表環(huán)境下行走作業(yè)的自主機器人，具有典型的移動和智能特點，在軍事和民用領域具有廣泛的應用需求。國際上，美國波士頓動力公司研制的大狗四足仿生機器人實現(xiàn)了雪地、冰面等復雜路面穩(wěn)定行走，并能夠在受到外界沖撞后自主保持穩(wěn)定。俄羅斯研制的四足仿生機器人配備中口徑武器，可以參加復雜環(huán)境作戰(zhàn)。德國、意大利、韓國等國家也開展了相關技術研究。在我

國，也有不少研究機構開展了四足仿生無人平臺

研究。

圖5-22大狗四足仿生機器人0102日本推動建立全球標準服務型機器人前景廣闊單擊此處添加標題04

四足仿生機器人5.4.1概念和優(yōu)勢四足仿生機器人融合了機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科技術于一體，是機械化、信息化、智能化高度融合的典型機電產(chǎn)品，不僅可完成在危險和復雜地形下的偵察、搜索和救援等任務，還可安裝多任務載荷以滿足不同作業(yè)需求，具有機動靈活、生存力強、反應快捷、作業(yè)持久等特點。隨著控制技術、通信技術、能源技術和材料技術的飛速發(fā)展，四足仿生機器人逐步實現(xiàn)高靈巧、多用途和輕量化，并向著高智能化方向邁進，在我國公共安全、

巡檢作業(yè)、探測搜救等應用領域都具有重大應用前景和產(chǎn)業(yè)需求。四足仿生機器人

是智能機器人發(fā)展的重要方向，是解決當前工業(yè)、生活等領域關鍵問題的技術樞紐，

具有極其重要的研究價值和廣闊的發(fā)展前景。04

四足仿生機器人腿足式機器人（見圖5-23）在崎嶇地形中比車輪或履帶具有更好的通過性，它使用獨立的落足點來優(yōu)化支撐和牽引力，而車輪需要連續(xù)的支撐路徑。因此，腿足式機器人的靈活性通常受到可達地形中最佳立足點的限制，而車輪則受到最差地形的限制。腿足式系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是，身體的路徑與腳的路徑是可以解耦的，因而實現(xiàn)了類似主動懸掛的效果。即使地形有明顯的變化，機身與負重也可以自由而平穩(wěn)地移動。因此，腿足式系統(tǒng)的性能在很大程度上與地面的粗糙度無關。腿足式系統(tǒng)可以使用這種解耦特性來提高它在崎嶇地形上的速度和效率。04

四足仿生機器人

圖5-23波士頓動力公司研發(fā)的阿特拉斯能慢跑、后空翻甚至跑酷04

四足仿生機器人5.4.2核心技術四足仿生機器人所需要的關鍵技術包括：（1）地形感知建模技術。動物在攀爬峭壁時，主要依靠視覺系統(tǒng)獲得的地形和地貌，頻繁調整姿態(tài)、步態(tài)和運動節(jié)律。由于機器人的運動具有動態(tài)性和關聯(lián)性，使得地形信息與機器人自身姿態(tài)信息的實時融合決策成為四足機器人穩(wěn)定控制的關鍵。因此，構建“地形理解與行為步態(tài)”的大閉環(huán)行為控制模型，是解決足式機器人與極端粗糙陡峭地形環(huán)境融合的難點，而地形理解的前提是地形感知建模。04

四足仿生機器人目前，足式機器人復雜環(huán)境自主動態(tài)越障的實現(xiàn)，主要依靠視覺/激光雷達對環(huán)境的感知。美國波士頓動力公司的SpotMini四足機器人，其機身正前方搭載了一套3D立體攝像頭，能夠觀察前方的障礙物情況，可以自由穿梭在城市的大街小巷，

實現(xiàn)靈活靜默偵察。圖5-24波士頓SpotMini四足機器人04

四足仿生機器人（2）步態(tài)動態(tài)穩(wěn)定控制技術。按照發(fā)展脈絡，仿生工程學可以分為形態(tài)仿生、結構仿生、功能仿生和耦合仿生四個階段。四足仿生機器人的結構設計靈感來自于四足動物，但其仿生效果的優(yōu)劣，關鍵在于能否像四足動物一樣靈活運動。目前，四足仿生機器人可根據(jù)不同地形環(huán)境，在走、跑、跳、攀爬等多種運動模式間靈活切換，且具有較強的奔跑、爬坡、越障、跳躍等運動能力，這得益于四足機器人大多采用的多步態(tài)動態(tài)穩(wěn)定控制技術，其主流思想是：針對地形環(huán)境突變或外界突發(fā)擾動，基于虛擬伺服控制建立機身本體位姿控制模型，基于力分配原理建立關節(jié)驅動控制模型，分析移動平臺與多類型地面的作用關系，最終采用力反饋原理和滑移率閉環(huán)實現(xiàn)自主平衡控制。04

四足仿生機器人經(jīng)過多年的發(fā)展，智能機器人的步態(tài)及穩(wěn)定性技術主要形成以中樞神經(jīng)振蕩CPG模型、彈簧負載倒立擺SLIP模型、基于模型預測控制模型MPC、整體控制模型WBC為主要方向。隨著人工智能技術的發(fā)展，基于機器學習的動物行為遷移網(wǎng)絡控制模型得到重視，相關技術發(fā)展迅速。美國波士頓動力公司以彈簧負載倒立擺SLIP模型為特色，開發(fā)大量仿生機器人；美國麻省理工大學以整體控制模型WBC和基于模型預測控制模型MPC相結合的方法，開發(fā)出獵豹系列機器人；瑞士蘇黎世理工大學以機器學習為特色技術，開發(fā)出Anymal系

列四足機器人。智能機器人控制正在從多種融合算法及人工

智能技術，向自演進、可學習控制方向發(fā)展。04

四足仿生機器人（3）擺動腿落足點規(guī)劃技術。為提高四足機器人對障礙物的通過性能和任務執(zhí)行效率，要求四足機器人在基于感知傳感器實現(xiàn)對環(huán)境的認知后，可以對越障行為進行智能決策。通過對擺動腿落足點的實時規(guī)劃，打破周期性、節(jié)律性運動難以適應復雜環(huán)境與地形突變的桎梏，真正實現(xiàn)機器人的智能化。為提高四足機器人對障礙物的通過性能，避免足端與障礙物發(fā)生碰撞，四足機器人需依靠環(huán)境感知信息實現(xiàn)對障礙物的測量，根據(jù)障礙物的實際尺寸，建立虛擬障礙物，并根據(jù)虛

擬障礙物的邊緣信息以及障礙物的尺寸，智能調整行為節(jié)

律，提高四足機器人對地形障礙的通過性能。04

四足仿生機器人（4）基于浮動基座的機械臂作業(yè)技術。四足機器人作為一個移動平臺，要想實現(xiàn)特定功能，必須搭載相應的任務載荷，而機械臂則是最為典型且通用程度最高的任務載荷。因此，浮動基座平臺機械臂移動作業(yè)技術是四足機器人從原理樣機走向工業(yè)產(chǎn)品的關鍵一環(huán)。浮動基座平臺機械臂移動作業(yè)技術的難點在于，機械臂控制器融合手臂末端負載向機器人質心進行映射。機械手抓取重物時，需要根據(jù)重物的抬升目標位置及當前位置，機械臂的各關節(jié)的傳感信息以及多自由度運動關系，實時估計重物的重量，采用阻抗控制方法建立機械臂末端的負載力模型。最終，通過機械臂末端與機身質心的映射關系，建立機器人質心力的映射，并融合機器人位姿平衡控制器，通過多支撐點力分配的優(yōu)化方法，實現(xiàn)機器人的全身協(xié)調穩(wěn)定控制。四足仿生機器人在很多國家已經(jīng)有了成功的應用案例，不僅勾勒出了四足機器人未來實際應用的具象場景，讓人們切實體會到科技對生活的改變。2021

仿生機器人05052021仿生機器人在2021年9月10日召開的2021世界機器人大會上，仿生機器人成為大會的一大亮點。不少企業(yè)都帶來了自己的四足仿生機器人。這一段時間里，仿生機器人市場似乎格外火熱，先有小米推出只要9999元的四足仿生機器人“鐵蛋”，后有波士頓動力秀出雙足機器人Atlas“跑酷”視頻。之后車企也出來湊熱鬧，馬斯克宣布要造人形機器人“TeslaBot”，小鵬也突然官宣自家旗下生態(tài)公司的機器馬“小白龍”。052021仿生機器人1.多款機器狗亮相，誰更勝一籌？來到展會的序廳，就見到云深處科技最新的機器狗絕影X20。這款機器狗能夠適應復雜地形環(huán)境和特殊操作需求，甚至能勝任有毒有害的惡

劣工作場景。

圖5-25裝有機械臂的絕影X2005202