國內外四足機器人發展需要攻克以下幾個技術難點

1968年由美國GE公司Ralph Moshe設計的在崎嶇地形下幫助步兵攜帶的設備Walking Truck［9］如圖1-1，該設備是由四條相同的機械腿與機體相連接，機械腿是由三個轉動副組成有三個自由度，能夠實現足端兩個方向的轉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的，通過液壓伺服系統提供的各關節動力，實現身體姿勢和腿部的復雜運動。在操作過程中主要依靠設備中的力反饋，操縱者來判斷運動情況。由于當時的設備限制不具備智能控制，雖然操作起來比較費力，但也實現了運動承載功能，仍是一項代表性的研究成果。

美國波士頓動力學公司自1992年創立以來便開始研發機器人，并于 2005 年研發了四腿機器人 Big Dog［10］如圖 1-2。它主要是用四足哺乳動物的結構為仿生參考來進行設計制造的，它的單腿運動主要是靠三個轉動副和一個移動副來完成，整體結構擁有 12 或 16 個主動自由度，驅動方式主要以內燃機為動力源驅動液壓系統來完成，在運動過程中通過機載系統對機器人的姿態和環境進行檢測，然后利用虛擬模型對機器人進行模擬仿真和運動規劃，再根據實際的動力學進行輸出，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性。

此外，美國波士頓動力公司在 Big Dog 基礎上又研制了 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 用于研究動態控制、復雜地形感知和運動行為關聯的通用機器人，能夠實現根據自身特點在復雜地形移動的能力。

美國斯坦福大學與俄勒岡州立大學移動實驗室共同研發了一款四足機器人KOLT［12］，如圖 1-5 所示，其結構是以大山羊為仿生對象進行設計，每條腿有 3個自由度，通過電磁驅動來實現機器人的運動，可以實現在平坦地面高速跑步運動。從 1976 年起，日本東京工業大學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，腿部采用這三個轉動副為驅動來實現機器的移動，擁有三個自由度，具有多種步行步態，有較高的自適應能力。TITAN—XI［16］能夠利用檢測到的路面情況對機器人運動進行調整，可以應用于大型工程施工中，能在混凝土斜坡上運動。

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

加拿大麥吉爾大學研發了Scout系列和PAW 系列四足機器人［18］，其結構簡單，自由度相對較少便于控制，Scout II 每條腿有兩個自由度，在腿設計上增加了彈性元件，能夠實現機器人在彈跳步態下的奔跑和轉向，PAW在Scout II的基礎上對足端添加了主動輪，能夠實現輪腿或輪腿復合的一系列運動。

德國移動機器人智能架構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定，即使摔倒也可以重新爬起來。

意大利技術學院開發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 個為液壓驅動，4 個為電動，每個腿都設計了踝關節和足端，能夠實現靜態步行和單腿豎直平面跳躍。

國內研究現狀及發展趨勢

20世紀80年代開始，我國相關高校和科研院所對四足機器人展開系統研究。雖然基礎較弱、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，國內有關四足機器人研究的中堅力量主要集中在高校和少數研究機構，其中上海交通大學、清華大學、山東大學、北京理工大學、同濟大學等高校的研究工作及其成果比較具有代表性。

國內最早進行四足機器人研究的是以上海交通大學馬培蓀教授為主的研究人員。他們研制的關節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，實現了機器人的低速動態行走運動。

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 個驅動，腿部下部采用四邊形放大機構，機身裝有力覺測量與實時感知信息反饋系統，能夠使機器人有在慣性力和外力沖擊下自動回復平衡的能力。機身可以隨身攜帶動力源，同時可以實現遠程操縱。

國內外研究難點及發展趨勢；

總體來說，四足機器人的發展趨勢在不同技術層面和不同地區呈現不同的側重方向。

從地區分布上說，國外對四足機器人的研究起步早、基礎厚、水平高。對四足器人的驅動方式、運動形式、穩定依據判定等存在技術分歧的部分都進行過各種技術探索與科學嘗試，多傳感器融合技術也得到初步驗證。尤其應當看到的是，美國由于軍方的介入，其最新一代樣機已經接近實用，這使其居于世界領先的地位。國內對四足機器人的研究因起步晚、基礎弱、水平低，特別是在系統理念、關鍵器件、基礎術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上以及針對地形和擾動的自適應控制技術方面均和國外研究水平相差甚遠，需要奮起直追，迎頭趕上。

從技術層面看，四足機器人從最初的完全人工操作到現在具有一定的智能化程度其相關技術如計算機視覺、自動控制、人工智能、步態規劃和能源供應等都取得了較大的進展。此外，四足機器人的行走模式經過了一個漫長的發展時期，從最初的靜態穩定步行到特定環境中的動態穩定步行，再到在非結構化環境下的較為實用的動態定步行，四足機器人在步行適應性方面已經有了長足的進步。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用到四足機器人的步態控制中，通過控制統、機械系統、環境之間的相互耦合傳遞運動，使四足機器人具有良好的穩定性和適應性。

總體設計改進分析：

若想研制出強勁、性能穩定、行走可靠并能實際應用的四足機器人，需要攻克以下幾個技術難點。

①四足機器人有效作業時長的提高；

②四足機器人運動時各個關節驅動單元的協調控制；

③四足機器人靜止步態和動態步態的穩定實現；

④四足機器人運行過程中所產生的機械噪聲的降低；

⑤改變現有的離線預編程步態，提高步態的實時適應性和自平衡能力；

⑥優化四足機器人的整體重量和體積，提高機器人通過復雜地形的能力。

要有效解決以上問題，必須合理進行四足機器人的系統設計。需要在機械結計、動力單元匹配、能源系統選擇及控制系統搭建等方面開展深入研究應當看到，一些早期的四足機器人其控制系統多采用移植了實時操作系統的機以構成控制系統的核心，執行單元的驅動模塊多采用通用器件搭建。

CPG控制方法的引入與改進：

①CPG模型參數整定方法；

②步態轉換問題；