为什么需要研制仿狗机器人？

随着科学技术水平的不断提高，人类对于未知事物的探索从未间断过，如对月球和火星的深度探索，等等。然而这些地方的地形是非常复杂的，人们要想从这些地方获取新的发现，就需要机器人的帮助。相比机器人，人类的生命还显得比较脆弱。人类不能亲临的地方，机器人可以到达，代替人类进入危险、困难、未知的地域进行探索，并将相关数据传给人类做进一步研究之用。

从运动方式上来看，机器人通常可分为足式、轮式、履带式机器人，从仿生运动方式上来看，机器人有移动、爬行、蠕动及扑翼飞行等形式。由于足式机器人的综合性能最优，故一直是人们研究的重点[106]。

众所周知，地球的自然环境中有约一半以上的地区，轮式或履带式机器人难以到达，而往往在这些地形极其复杂的地域却有着较为丰富的资源，具有很大的研究意义。足式机器人在移动能力上具有灵活性、可变性的特点，故其地形适应能力更加突出一些。

通常情况下，足式机器人可分为双足、四足和多足机器人[107]。相对于双足机器人而言，四足机器人具有较好的稳定性；而相对于六足机器人来说，四足机器人具有较为简单的机构复杂度[108]。自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。人类受自然界的启发而获益匪浅，对四足仿生机械的研究也由来已久，前面介绍过，早在中国四大名著之一的《三国演义》中就描述了一种四足机械——木牛流马。当然，早期的四足机器人多偏重于机械结构方面的创意与努力，而现代的四足机器人则更加注重控制效果。从起初的简单逻辑电路控制，到如今的复杂计算机系统控制，四足机器人的控制方式也随着现代科技的发展发生了根本性的变化。

相比而言，国外在四足机器人的控制系统设计、制作方面，起步早，基础厚，经验多，在整体技术水平上领先于国内机器人控制领域。由于四足机器人在民用和军用两个领域都有着巨大的应用市场，近年来一直得到人们的青睐与重视。国内大部分高校也都具有一定的前期研究积累，为进一步开发高智能多功能四足机器人奠定了基础。尤其是近两年来，四足机器人逐渐成为足式机器人的研究热点。但不得不提到的是，四足机器人的数理模型主要是建立在人们对自然界中四足动物的仿生学研究成果基础上，但实际的四足机器人其运动效果却远远落后于自然界中的四足动物。这表明高性能的四足机器人其研制涉及多方面的关键技术，如机构建模技术、传感探测技术、信息融合技术、步态规划技术、深度学习策略，以及精密控制技术等[109]。目前，在理论研究方面，对于四足机器人的结构设计、步态规划、控制策略的研究都较为广泛而深入，但由于四足机器人主要工作在崎岖不平、条件恶劣的环境下，因此对各方面有着更高的要求，比如，人们要求四足机器人必须具有高自主性、高智能性、高灵活性和高适应性。

足式机器人之所以能够适应复杂的地形，其根本原因是其仿生机构具有较高的灵活性和自由性。四足机器人的基本机构多为参考四足动物的骨骼构造所设计。众所周知，自然界的四足动物在运动能力方面有着极大的优越性，这些优点是它们通过长期进化而来的，其根本目标就是为了适应恶劣的外部环境。因此四足动物在复杂地形条件下的运动能力往往极为出色。例如，骆驼可在负载很重的情况下在松软的沙漠中长途行走；山羊可在陡峭的山崖上奔跑如飞；猎豹在草原上奔跑速度之快、转向灵活之妙，令人望尘莫及。这些都可作为研究四足机器人结构设计的经典案例。但令人遗憾的是，目前有关四足机器人机械结构设计的详细介绍很少，大多没有具体涉及如何得到一个稳定可靠的四足机器人机械结构。然而，研究四足机器人的足端轨迹及步态、控制算法及控制系统、机器视觉及地形识别等都要借助于良好的四足机器人机械结构样机，所以解决四足机器人机械部分的设计可为四足机器人的后续研究奠定坚实的技术基础。

四足机器人的发展起源可追溯到20世纪60年代，那时，Shigley研究了一种新型的腿式结构的机器人，其整体结构主要由四连杆机构和凸轮机构组成。Shigley的研究工作开始后不久，许多科学家都开始对此机构进行深入研究，并延伸出一系列四足机器人的原始模型。数年之后，美国学者Mosher和Liston合作开发了一种新型步行车。该机构的传动系统由液压单元提供，腿部装有传感器来反馈运动参数。但是该装置并不能算是第一代四足机器人，因为它是由人在机身上进行完全的实时控制，就像是一台搬运重物的叉车一样，只是在结构上近似于四足机器人。到了20世纪80年代，南加州大学的McGhee和弗兰克一起研制了PhonyPony机器人。该机器人由电机作为驱动单元，有两个自由度，可根据已有的状态图进行对角步态行走。20世纪90年代，Dillmann研制了BIASM机器人，该机器人设有腰部结构，增加了机器人的柔性度。此后的数年间，日本工业技术的发展使得该国在机器人研究方面取得了重大进展。例如，在1981—2002年期间，日本东京工业大学先后研制了TITAN机器人、NINIJ二代、Hyperion。美国Boston Dynamics公司的Big Dog视频发布之后，引起了国内外学者的高度重视，视频中的Big Dog可行走、奔跑、跳跃，可在丛林、冰面上自主畅行，凭借着这些卓越的性能，Big Dog一经问世便成为四足机器人的典型代表，如图1-91所示。

图1-91　Big Dog

Big Dog专门为美国军队设计使用，号称是世界上最先进的四足机器人。波士顿动力公司曾测试过，它能够在战场上为士兵运送弹药、食物和其他物品[110～111]。Big Dog的工作原理是：由汽油机驱动的液压系统能够驱动四肢运动。陀螺仪和其他传感器反馈机器人的位姿信息，机载计算机规划机器人每一步的运动。机器人依靠“感觉”来保持身体的平衡，如果有一条腿比预期更早地碰到了地面，计算机就会认为它可能踩到了岩石或是山坡，然后Big Dog就会相应地调节自己的步伐，它的力传感器可探测到地势变化，而且能根据地形变化情况做出调整。Big Dog的主动平衡性使其可以保持稳定。这种平衡通过四条腿维持，每条腿有三个自由度，并有一个“弹性”关节。该机器人共有50个传感器，用以获取机器人的姿态及其他各种必要信息。一台移植QNX实时操作系统的PC104工控机负责机器人的运动控制、数据采集和外界通信。通过IP电台，操作者可以远程发送指令来操纵Big Dog的实时运动，并接收机器人返回的各项数据。它的环境适应能力非常强，几乎任何地形都阻挡不了它前进的步伐。

2004年，波士顿动力公司发布了四足机器人Little Dog（见图1-92）的相关信息。该机器人有四条腿，每条腿有3个驱动器，具有很大的工作空间[112]。该机器人携带的PC控制器可以实现感知、电机控制和通信功能。其传感器还可以测量关节转角、电机电流、躯体方位和地面接触信息。锂聚合物电池可以保证其有30分钟的运动时间，无线通信和数据传输支持遥控操作和分析。

图1-92　Little Dog机器人

2005年，美国俄勒冈州立大学移动机器人实验室联合斯坦福大学共同研制了四足机器人“KOLT”，如图1-93所示。该机器人自重约64 kg，采用电机驱动，由于腿机构的特殊设计使该机器人步速可达3.78 m/s，主要用来研究在高速疾驰步态下的动力学分析、智能控制技术及分布式控制系统等方面。

图1-93　俄勒冈州立大学机器人“KOLT”

2011年，美国波士顿动力公司又发布了关于“Alpha Dog”的讯息，该机器人如图1-94所示。与该公司此前的产品相比，其在体积、负载和动力性能上都有了进一步的提高。该机器人增强了行走能力，改善了人机接口。机器人运行时的噪声也明显降低，并且能够完成倒地后自动恢复站立的动作。“Alpha Dog”可以搬运重约180 kg的军用品，还可以利用感应器朝着指定地点前进，在没有燃料补给的情况下可以步行约32 km[113]。

2012年，美国波士顿动力公司又发布了其最新研制的四足机器人“猎豹”（如图1-95所示）的实验视频。猎豹机器人的最大亮点在于灵活的背部关节，在奔跑过程中如猎豹般屈伸自如，可以保持稳定、高速的前进。

图1-94　Alpha Dog机器人(www.xing528.com)

图1-95　美国“猎豹”机器人

这些形状各异、功能不同的机器人其实都是在Big Dog的基础上研制和发展而来的。

除了美国以外，德国、日本、韩国等一些科技发达国家也积极开展了四足机器人相关技术的研究。德国在1998年研制了一种名为BIASM的四足机器人（见图1-96）。该机器人由躯干、4条腿和头部组成，总重14.5 kg。其4条腿采用模块化思路设计，完全相同，每条腿具有4个关节；肩部转动关节提供侧向摆动自由度，其余3个关节平行布置，提供抬腿动作所需的转动自由度。内部装有微控制器、处理器、电池及立体摄像头[114]。该机器人通过三级控制结构对控制任务进行分担。三级结构为：由外部高性能PC机负责人机接口交互；由PC104负责多腿协调控制；由西门子高性能单片机C167负责单腿运动控制。PC104与外部高性能PC机通过无线局域网进行通信。BIASM还有两个摄像头，可识别障碍物的形状和距离，并对数据作了简化处理，从而实现了实时控制。

图1-96　德国BIASM机器人

日本电子通讯大学在2000年开发了一种名为Tekken的仿狗机器人（见图1-97）。其外形尺寸为30 cm×14 cm×27.5 cm，含电池重4.3 kg，共16个关节，每条腿4个关节，3个主动关节，1个被动关节，采用直流伺服电机驱动，并配有减速箱、编码盘、陀螺仪、倾角计和接触传感器，控制器采用PC机，操作系统为RT-Linux，通过遥控器操作机器人[115]。

意大利理工学院研制了一款电液混合驱动的四足机器人，名为HyQ，如图1-98所示。该机器人腿部具有3个自由度，四条腿的侧摆由伺服电机驱动，其他执行单元由液压系统驱动。机器人主控制板为PC104，采用高性能、低功耗的Intel奔腾处理器，内嵌实时Linux操作系统[116]。通过多功能I/O控制板实现传感器信息的获取。除此以外，控制板还集成了CAN总线的通信接口板，实现与电机控制器的通信。DC-DC转换板完成24 V电压向5 V电压的转换，为控制器和外围传感器提供电源。电机驱动器采用Elmo的Whistle Solo boards实现对直流伺服电机的控制。整个系统由于伺服电机执行单元的引入而节省了液压驱动单元的体积。

图1-97　日本小型仿狗机器人

图1-98　HyQ机器人

韩国工业技术研究院和Rotem公司联合研制的液压驱动四足机器人则体积尺寸偏大，如图1-99所示。该机器人高为1 m，长为1 m，宽为0.5 m。除去液压系统，该机器人自重60 kg，有效负载达到40 kg，能够以1.3 m/s的速度移动，还能适应凹凸不平的路面。其采用全液压驱动方式，目前已实现两个前足的运动，后足采用万向轮代替。该机器人的控制系统由模式发生器、在线补偿器、本地控制器和传感器过滤器组成。机载控制器控制液压驱动系统，液压驱动系统包括伺服阀、带CAN总线的DSP以及传感器等。控制系统采用分层结构，板载PC实现关节转角控制和传感器信息采集，DSP控制器实现对伺服阀的控制。

数年前，韩国工业技术研究院的Tae Ju Kim等人研制了另一款四足步行机器人P2，如图1-100所示。该机器人高1.2 m，长1 m，宽0.4 m，包括四条腿部机构、一个液压能源模块和一个机身框架。每个腿部机构具有4个自由度，其中两个髋关节（侧摆与前进），一个踝关节和一个膝关节。腿部机构所有关节全是由小体积、大功率的液压马达来驱动的，从而使机器人能够承受较大的负载并在崎岖路况下高速运动[117]。

图1-99　qRT-2机器人

图1-100　P2机器人

国内对四足机器人的研发工作稍显滞后，各研究机构对该类机器人的研究主要集中在近十几年。2011年的863计划，即国家高技术研究发展计划，表明了国内开始了对四足机器人的深层次研究。山东大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、国防科技大学等高校的一些科研团队，集中开始了四足机器人的研发工作[118]。在此之后，各高校分别公布了不同形态的四足机器人。经过实验，这些四足机器人可简单地行走在坡面或泥泞的路面上。清华大学最先开发了一款名为Biosbot的机器人。Biosbot可说是国内第一台四足机器人，该机器人整体结构尺寸较小，总体质量仅为5.7 kg。机械结构上是铝合金材料。Biosbot能够平稳地执行行走和小跑步态，速度最快0.2 m/s左右[119]。此外，Biosbot也能够行走在复杂的地面上，如斜坡路面等。上海交通大学研制的四足机器人，腿部结构的驱动单元都被上调到了本体支架处，属于混联机构，因此减轻了腿部的质量，该机器人可完成动、静步态的移动，每个腿上有1个主动关节，3个被动关节，主动关节的伺服直流电机提供动力来源。山东大学也公布了一款液压驱动四足机器人，在结构上近似于美国的Big Dog，有摆动的自由度和前后伸缩的液压缸驱动，可进行动步态行走，在行走速度上有很大提高。据统计调查，这是中国第一台液压驱动高速行走的四足机器人。其他像哈尔滨工业大学，国防科技大学，北京理工大学在液压驱动四足机器人方面也都取得了很大进展[120]。

综上所述，世界各国已经深刻意识到研究仿生四足机器人的重要性，并且正积极开展该领域的研究，有些研究机构已经研究出了具有一定功能性、可靠性和运动自主性的仿生四足机器人。