第２８卷第１期Ｖ０１．２８．Ｎｏ．１
２００６年１月
机器人ＲＯＢＯＴ
Ｊａｎ，２００６
文章编号：１００２－０“６（２００５ｊ０１＿００８１－０８
腿式机器人的研究综述
刘静，赵晓光，谭民
（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）
摘要：分析了国内外腿式机器人的研究现状，讨论了腿式机器人在机械结构、稳定性和控制算法方面的现有
研究方法，给出了腿式机器人研究存在的问题，展望了腿式机器人的发展方向，
关键词：腿式机器人；机械结构；稳定性；控制算法中囤分类号：ＴＰ２４
文献标识码：Ａ
ＬｅｇｇｅｄＲｏｂｏｔｓ：ＡＲｅｖｉｅｗ
ＬＩＵＪｉｎｇ，ＺＨＡＯＸｉａｏ—ｇｕａｎｇ，ＴＡＮＭｉｎ
（１ｍｔｌｖａｅ
ｏ，ＡＬａｏｍａｔｉｏｎ．（№ⅫｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｄｅｎｃｅｓ．成扣ｇ
１０００８０。ＣＡ／ｈａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｒｖｅｙｓｄｍｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｔａｔｕｓ
ｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄ
ｏｖｅｒｓｅａｓ
ｗｉｔｈｒｅｓｐｅｃｔ
ｔｏ
ｌｅ路ｅｄｒｏｂｏｔｓ，ａｎｄ
ｄｃⅫｉｂｅｓ
ｔｈｅ口一
ｉｓｔｉｎｇ
ｒｅｓｅａｒｃｈａｐｐｒｏａｃｈｅｓｉｎｔｅｒｍｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｂ＿｜ｕｃＩＲｔｒｅ．砒ａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｆｌｅｇｇｅｄ
ｍＩ埔．Ｔｏ∞ｎ－
ｄｕｄｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒ
ｓｔａｔｅｓ
ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓ
ｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄａｎｄ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌｅｇｇｅｄｒｏｂｏｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｅｇｇｅｄｒｏｂｏｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｃｏｎｔｒ０１日ｌ鲥ｄｍ
１引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）
第二，腿式机器人的腿部具有多个自由度，使运在自然界和人类社会中，存在人类无法蓟达的动的灵活性太大增强，它可以通过调节腿的长度保地方和可能危及人类生命的特殊场合，如行星表面、持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重工地、矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些环境进心的位置，因此不易翻倒，稳定性更高．
行不断的探索和研究，寻求一条解决问题的可行途第三，腿式机器人的身体与地面是分离的，这种径成为科学技术发展和人类社会进步的需要．不规机械结构的优点在于，机器人的身体可以平稳地运则和不平坦的地形是这些环境的共同特点，使轮式动而不必考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置．当机器人和履带式机器人的应用受到限制．在这种背机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿景下，腿式机器人的研究蓬勃发展起来”“。．而仿生部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的了．
优势‘３“９，…：
’
当然，腿式机器人也存在一些不足之处．比如，第一，腿式机器人的运动轨迹是一系列离散的为使腿部协调而稳定运动，从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂；相比自然界的节肢动物，仿生腿式机器人的机动性还有很大差距．
本文第二部分回顾了腿式机器人研究已取得的主要成果，第三部分分析和讨论了腿式机器人在机械结构、稳定性及控制方法方面的一些研究方法，第的点接触地面，对这种地形的适应性较强，正因为如四部分提出了腿式机器人研究存在的问题，第五部分展望了腿式机器人的发展趋势．
基金项目：国家８６３｝｝‘划崭助项目（２００２ＡＡ４２１１７０）收穑日期：２００５一∞一１０
万
方数据腿式机器人的出现”““”更加显示出腿式机器人的
足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹．崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用．而腿式机器人运动时只需要离散此，腿式机器人对环境的破坏程度也较小．
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（Ａｍｂｕｌａｔｏｒｙ
Ｒｏ—
ｂｏｔｉｃｓ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）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１
ＡＲＬ单腿机器人二代
Ｆｉｇ．１
ＡＲＬＭｏｎｏｐｏｄＨ
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
万
方数据关节上，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（ｓｅｒｉｅｓ
ｅｌａｓｔｉｃ
ａｃｔｕａ—
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（ｖｉｒｔｕａｌ
ｍｏｄｅｌ
ｃｏｎｔｒ０１）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Ｓｐｒｉｎｇ
Ｔｕｒｋｅｙ
Ｆｉｇ２
ＢｉｐｅｄｒｏｂｏｔＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ
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”（Ａｄｖａｎｃｅｄ
ＳｔｅｐｉｎＩｎ－
ｎｏｖａｔｉｖｅ
ＭＯｂｉｌｉｔｙ）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
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．
Ｆ图ｉ
５“
ＡＳＩＭＯ”
ｈｕｍａｎｏｉｄｏｆＨｏ。ｃｌａ
Ｆｉｇ．
６
Ｂ碰ｔ４）ｌｈｎｍａｎｄｄｒｏｂｏｔ
万
方数据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
元，坶宋ｍ巨异伺州’Ｉ’日Ｊ曼・住利葡足商以父斗，ｌ多
ＩＡｔ
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．
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、婿腿图８改进后的四腿机器人
图９四腿机器人Ｓｃｏｕｔ
Ｉ
Ｆｉｇ．８
Ｉｍｐｒｏｖｅｄ
ｑｕａｄｒｕｐｅｄ
ｒｏｂｏｔ
Ｆｉｇ９
Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ
ｒｏｂｏｔＳｃｏｕｔＩ
图１０四腿机器人ＳｃｏｕｔＩＩＦｉｇ１０ＱｕａｄｒｕｐｅｄｍｂｏｔＳｃｏｕｔⅡ
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
万
方数据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
ｘ２０ｍｍ，采用电磁驱动和“三脚架”式
美国伊利诺斯大学的Ｄｅｌｃｏｍ）ｎ和Ｎｅｌｓｏｎ在对１．该机器人的体积为５８ｃｍ
×１４ｃｍ
ｘ２３ｃｍ，重１１ｋｇ，站立时离地面１５ｅｍ．
图１１六腿仿生机器人Ｂｉｏｂｏｔ
Ｆｉｇ
１１
Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｅｒｏｂｏｔ
Ｂｉｏｂｏｔ
每条腿都分为３段，分别对应于蟑螂腿部的髋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
３０ｒａｍ×２０ｍｍ
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．
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Ｊ（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．
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．
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．
图１２崎岖地形中和攀登楼梯的ＲＨｅｘ
Ｆｉｇ．１２
ＲＨｅｘｉｎ
ｔＯＬｌ出ｔｅｒｒａｉｎ
ａｎｄ
ｏｎ
ｓｔａｉｒｓ
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．
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
图１３六腿机器人Ａｍｂｌｅｒ
Ｆｉｇ
１３
ＴｈｅＡｍｂｌｅｒ
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
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
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
机器人２００６年１月
腿的数目影响机器人的稳定性、能量效率、冗余度、关节控制的质量以及机器人可能产生的步态种类．一般来说，腿的数目增加，步态的种类也明显增加．而步态的结构又决定了机器人对地形的适应性，所以机器人腿的数目是非常重要的机械设计参数”’１…．多于４条腿的机器人比只有４条腿的机器人移动速度更快，腿的数目的增加虽然可以取得速度上的优势，但却以腿部的协调和控制的复杂度的增大为代价．随着腿的数目的增加，硬件的花销和安置电机驱动、功率放大器、电源等硬件的难度也随之加大‘…．
此外．腿相对于机器人本体的安放位置和腿之间的相对位置、腿部的关节数目以及各个硬件的放置位置都将影响整个机器人系统的性能，所以应根据不同场合的需要合理设计腿式机器人的机构．
３．２稳定性分析
保持稳定是机器人完成既定任务和目标的基本要求．本文介绍两个关于腿式机器人稳定性的概念：
（１）支持多边形（ｓｕｐｐｏｒｔｐｏｌｙｇｏｎ）
支持多边形的概念由Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄ首先提出，用它可以方便地描述一个步态循环周期中各个步态的情况．支持多边形指连接机器人腿部触地各点所形成的多边形在水平方向的投影．如果机器人的重心落在支持多边形内部，则认为机器人稳定”’’…．
（２）稳定确认直线（Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ＡｄｍｉｔｔｉｎｇＬｉｎｅｓ，
ＳＡＬｓ、［”】
稳定确认直线的概念首先由Ｈｉｍｓｅ提出，适用于四腿机器人．如图１４所示，它是指当四腿机器人的４条腿（１、２，３、４）都着地时，连接左侧前足和右侧后足以及左侧后足和右侧前足所形成的两条直线．这两条直线将整＋３ｚ－面分为４个象限，第一象限、第二象限、第三象限和第四象限．机器人坐标系原点位于机器人的重心，假设任意时刻机器人四腿相对于机器人坐标系的位置已知，即四腿的坐标已知，那么就可求出两条稳定确认直线的数学方程，这样就可以确定机器人重心所在的象限．如果机器人重心在第一象限，那么机器人下一步行走时就不能抬起１腿和２腿，因为这样将导致机器人失去平衡而向前倾倒，所以机器人下一步须抬起３腿或４腿方司向前行走，可见重心所在象限决定了机器人下一步可以抬起哪条腿，亦即要保持机器人稳定运动，则其４条腿的运动顺序是重心位置的函数．这个理论隐含着一个重要假设，即机器人每次只能处于下列两种状态中的一种状态：一是机器人前移身体而保持四
万
方数据条腿静止触地，二是机器人前移抬起一条腿而保持身体静止．需要注意的是，机器人每行走一步，只需修改一条稳定确认直线的数学方程．
假设机器人下一步需前移３腿，但此时重心恰好位于第三象限，为保持平衡，机器人必须先前移身体，使重心落于第一象限后方可前移３腿．那么机器人身体需前移多少呢？如图１５所示，稳定确认直线２与机器人坐标系的Ｙ轴相交，交点到坐标原点，即交点到机器人重心的距离ｄ，即为３腿抬起后系统仍保持稳定所需的机器人身体前移的最小距离．
粕州
图１４稳定确认直线
Ｆｉｇ．１４
ＳＡＬｓ
图１５身体前移的定量分析Ｆｉｇ．１５
Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ
ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｏｒｗａｒｄｍｏｌｌｏｎ
３．３控制算法
腿式机器人缺少强大的控制方法，因为它们的确很难控制．主要由于它们：①是非线性系统；②在整个状态空间中运动；③在重力的作用下运动；④与半结构化的复杂环境相互作用；⑤不稳定；⑥属于多输人多输出系统；⑦具有时变性和间歇动态性；⑧既需要连续控制又需要离散控制．此外，腿式机器人的
第２８卷第１期刘静等：腿式机器人的研究综述
性能评价方法也与典型系统的有所不同，不再以系统的跟随能力和抗扰能力作为评价指标，而通常用与某种生物的相似程度、效率、运动稳定性、最高速度以及对粗糙地面的适应性等指标加以评价．上述难点导致设计和分析腿式机器人控制系统的困难．现阶段．分析这类系统的普遍工具是仿真和实
验㈦．
（１）姿态控制算法”１
这种算法的基本思想是：已知机器人的腿对身用数学语言表达如下（假设机器人有四条腿）：
量．
暖主
Ｊ，，
量．。
，。Ｊ，。Ｊ
乳
量．，
其中孽１＝【Ｆ，■ｔ】和ｙＴ＝［幔哆鸠】已知，
要求量．、量。孽。和ｇ，文［８］介绍了３种求解上述矩
阵方程的方法，可以解出曼、要．、孽ｉｉｉ和乳．这样，通
（２）运动控制算法
文［１２］介绍了虚拟模型控制（ｖｉｒｔｕａｌ
ｍｏｄｅｌ
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文［１２］做了一些必要假设并经过一系列推导，＝
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给定虚拟的力，就可以求得作用在关节上的真实力矩．该方法已经在双腿机器人ＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ的控制
上得到应用，并取得了较好的控制效果．
（３）步态规划算法”“
这种算法的基本思想是：已知机器人的腿部末端在坐标系中的位置，求腿部各个关节的关节角．当关节角确定后，就可以构造机器人的步态模式．
４存在的问题（Ｐｒｏｂｌｅｍｓ）
腿式机器人仍面临许多待解决的问题：
（１）有些腿式机器人的体积和重量很大，在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现，而且这种机器人的速度和机动性较差．因此，应该适当缩小机器人的体积，减轻机器人的重量．
（２）大多数腿式机器人研究平台的负荷不大”“，导致它们没有能力负载视觉设备，而且腿式机器人的视觉研究也不很成熟，而视觉恰恰是腿式
机器人自主化和智能化的关键．要解决这个问题，首先还需改进现有腿式机器人的机械机构设计，使其能够承受更大的负载；其次是改进视觉图像处理的算法，增强图像处理的实时性、快速性和准确性．
（３）腿式机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高．
（４）腿式机器人的控制方法也需改进，机器人系统的复杂性使其控制算法复杂化，但有些算法很难实现甚至不能实现，因此应简化机器人控制算法。实现用较简单的控制算法获得令人满意的控制效果的目标．另外，腿式机器人现有的控制方法还有待完善和发展．
（５）能源问题．寻求新型可靠的能源为机器人供电，实现机器人长时间在户外行走的目标．５展望（Ｏｕｔｌｏｏｋ）
随着腿式机器人的研究日益深入和发展，腿式机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应性等方面的性能将不断提高，自主化和智能化将逐步实
体共同作用产生的力和力矩向量，求每条腿上的力．过控制每条腿上的力向量，就可以使机器人达到预定的姿态，实现了机器人姿态的可控性，以适应不同
地形．
ｔｒ０１）方法．虚拟模型控制是一种运动控制语言，它用虚拟机械元件的仿真产生力，这种力通过真实的关节力矩加以作用，因此产生虚拟元件和机器人相连接的效果．虚拟机械元件可以是简单的弹簧、轴承、阻尼器等．这种方法的优点在于：用一组简单的虚拟元件可以很容易地刻画传统方法难以描述的复杂任务；使得机器人的算法设计更简单、更直观，而且需要较小的计算量，可分布式实现；因为虚拟元件具有连续性，这样即使高层控制器进行离散控制，整个运动也是连续的；高层控制器也可以在状态转换时改变虚拟元件的连接和参数．
得到单腿和双腿机器人实现虚拟模型控制的矩阵等式，描述了虚拟力和关节力矩的关系．它们分别是：
机器人２００６年１月
现，将能够满足更多特殊环境和场合的需要，因而具有广阔的应用前景．
腿式机器人有两个值得关注的趋势：（１）腿式机器人群体协作
多个腿式机器人协调合作共同完成某项任务．与单个腿式机器人相比。多个腿式机器人的总负荷更大，可以携带的仪器和工具更多，功能性更强．它们之间通过通信进行协调，也可以按照某种规则指定主机器人和从机器人”“，从而按照一定的队形ⅢＪ和顺序对目标进行不同的测量和操作．而且当其中某～腿式机器人出现故障时，其它机器人还可以照常工作，大大提高了工作效率和可靠性，
（２）自重构腿式机器人
自重构腿式机器人比起固定结构的腿式机器人对地形的适应性更强，可应用的场合更多．当穿越管道时，它可以变成蛇形；当穿越崎岖的地形时，它可以变成腿式机器人；当需要潜入海里时，它又可以变作鱼形；还可以通过改变自身的外形和步态攀登楼梯并进入建筑物”“．因此，自重构机器人是腿式机器人的发展方向之一．
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腿式机器人的研究综述
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
刘静， 赵晓光， 谭民， LIU Jing， ZHAO Xiao-guang， TAN Min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机器人ROBOT
2006,28(1)27次
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jqr200601017.aspx
第２８卷第１期Ｖ０１．２８．Ｎｏ．１
２００６年１月
机器人ＲＯＢＯＴ
Ｊａｎ，２００６
文章编号：１００２－０“６（２００５ｊ０１＿００８１－０８
腿式机器人的研究综述
刘静，赵晓光，谭民
（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）
摘要：分析了国内外腿式机器人的研究现状，讨论了腿式机器人在机械结构、稳定性和控制算法方面的现有
研究方法，给出了腿式机器人研究存在的问题，展望了腿式机器人的发展方向，
关键词：腿式机器人；机械结构；稳定性；控制算法中囤分类号：ＴＰ２４
文献标识码：Ａ
ＬｅｇｇｅｄＲｏｂｏｔｓ：ＡＲｅｖｉｅｗ
ＬＩＵＪｉｎｇ，ＺＨＡＯＸｉａｏ—ｇｕａｎｇ，ＴＡＮＭｉｎ
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ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｃｏｎｔｒ０１日ｌ鲥ｄｍ
１引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）
第二，腿式机器人的腿部具有多个自由度，使运在自然界和人类社会中，存在人类无法蓟达的动的灵活性太大增强，它可以通过调节腿的长度保地方和可能危及人类生命的特殊场合，如行星表面、持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重工地、矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些环境进心的位置，因此不易翻倒，稳定性更高．
行不断的探索和研究，寻求一条解决问题的可行途第三，腿式机器人的身体与地面是分离的，这种径成为科学技术发展和人类社会进步的需要．不规机械结构的优点在于，机器人的身体可以平稳地运则和不平坦的地形是这些环境的共同特点，使轮式动而不必考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置．当机器人和履带式机器人的应用受到限制．在这种背机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿景下，腿式机器人的研究蓬勃发展起来”“。．而仿生部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的了．
优势‘３“９，…：
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当然，腿式机器人也存在一些不足之处．比如，第一，腿式机器人的运动轨迹是一系列离散的为使腿部协调而稳定运动，从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂；相比自然界的节肢动物，仿生腿式机器人的机动性还有很大差距．
本文第二部分回顾了腿式机器人研究已取得的主要成果，第三部分分析和讨论了腿式机器人在机械结构、稳定性及控制方法方面的一些研究方法，第的点接触地面，对这种地形的适应性较强，正因为如四部分提出了腿式机器人研究存在的问题，第五部分展望了腿式机器人的发展趋势．
基金项目：国家８６３｝｝‘划崭助项目（２００２ＡＡ４２１１７０）收穑日期：２００５一∞一１０
万
方数据腿式机器人的出现”““”更加显示出腿式机器人的
足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹．崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用．而腿式机器人运动时只需要离散此，腿式机器人对环境的破坏程度也较小．
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（Ａｍｂｕｌａｔｏｒｙ
Ｒｏ—
ｂｏｔｉｃｓ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）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１
ＡＲＬ单腿机器人二代
Ｆｉｇ．１
ＡＲＬＭｏｎｏｐｏｄＨ
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
万
方数据关节上，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（ｓｅｒｉｅｓ
ｅｌａｓｔｉｃ
ａｃｔｕａ—
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（ｖｉｒｔｕａｌ
ｍｏｄｅｌ
ｃｏｎｔｒ０１）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Ｓｐｒｉｎｇ
Ｔｕｒｋｅｙ
Ｆｉｇ２
ＢｉｐｅｄｒｏｂｏｔＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ
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”（Ａｄｖａｎｃｅｄ
ＳｔｅｐｉｎＩｎ－
ｎｏｖａｔｉｖｅ
ＭＯｂｉｌｉｔｙ）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
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．
Ｆ图ｉ
５“
ＡＳＩＭＯ”
ｈｕｍａｎｏｉｄｏｆＨｏ。ｃｌａ
Ｆｉｇ．
６
Ｂ碰ｔ４）ｌｈｎｍａｎｄｄｒｏｂｏｔ
万
方数据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
元，坶宋ｍ巨异伺州’Ｉ’日Ｊ曼・住利葡足商以父斗，ｌ多
ＩＡｔ
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．
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、婿腿图８改进后的四腿机器人
图９四腿机器人Ｓｃｏｕｔ
Ｉ
Ｆｉｇ．８
Ｉｍｐｒｏｖｅｄ
ｑｕａｄｒｕｐｅｄ
ｒｏｂｏｔ
Ｆｉｇ９
Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ
ｒｏｂｏｔＳｃｏｕｔＩ
图１０四腿机器人ＳｃｏｕｔＩＩＦｉｇ１０ＱｕａｄｒｕｐｅｄｍｂｏｔＳｃｏｕｔⅡ
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
万
方数据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
ｘ２０ｍｍ，采用电磁驱动和“三脚架”式
美国伊利诺斯大学的Ｄｅｌｃｏｍ）ｎ和Ｎｅｌｓｏｎ在对１．该机器人的体积为５８ｃｍ
×１４ｃｍ
ｘ２３ｃｍ，重１１ｋｇ，站立时离地面１５ｅｍ．
图１１六腿仿生机器人Ｂｉｏｂｏｔ
Ｆｉｇ
１１
Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｅｒｏｂｏｔ
Ｂｉｏｂｏｔ
每条腿都分为３段，分别对应于蟑螂腿部的髋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
３０ｒａｍ×２０ｍｍ
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．
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Ｊ（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．
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．
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．
图１２崎岖地形中和攀登楼梯的ＲＨｅｘ
Ｆｉｇ．１２
ＲＨｅｘｉｎ
ｔＯＬｌ出ｔｅｒｒａｉｎ
ａｎｄ
ｏｎ
ｓｔａｉｒｓ
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．
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
图１３六腿机器人Ａｍｂｌｅｒ
Ｆｉｇ
１３
ＴｈｅＡｍｂｌｅｒ
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
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
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
机器人２００６年１月
腿的数目影响机器人的稳定性、能量效率、冗余度、关节控制的质量以及机器人可能产生的步态种类．一般来说，腿的数目增加，步态的种类也明显增加．而步态的结构又决定了机器人对地形的适应性，所以机器人腿的数目是非常重要的机械设计参数”’１…．多于４条腿的机器人比只有４条腿的机器人移动速度更快，腿的数目的增加虽然可以取得速度上的优势，但却以腿部的协调和控制的复杂度的增大为代价．随着腿的数目的增加，硬件的花销和安置电机驱动、功率放大器、电源等硬件的难度也随之加大‘…．
此外．腿相对于机器人本体的安放位置和腿之间的相对位置、腿部的关节数目以及各个硬件的放置位置都将影响整个机器人系统的性能，所以应根据不同场合的需要合理设计腿式机器人的机构．
３．２稳定性分析
保持稳定是机器人完成既定任务和目标的基本要求．本文介绍两个关于腿式机器人稳定性的概念：
（１）支持多边形（ｓｕｐｐｏｒｔｐｏｌｙｇｏｎ）
支持多边形的概念由Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄ首先提出，用它可以方便地描述一个步态循环周期中各个步态的情况．支持多边形指连接机器人腿部触地各点所形成的多边形在水平方向的投影．如果机器人的重心落在支持多边形内部，则认为机器人稳定”’’…．
（２）稳定确认直线（Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ＡｄｍｉｔｔｉｎｇＬｉｎｅｓ，
ＳＡＬｓ、［”】
稳定确认直线的概念首先由Ｈｉｍｓｅ提出，适用于四腿机器人．如图１４所示，它是指当四腿机器人的４条腿（１、２，３、４）都着地时，连接左侧前足和右侧后足以及左侧后足和右侧前足所形成的两条直线．这两条直线将整＋３ｚ－面分为４个象限，第一象限、第二象限、第三象限和第四象限．机器人坐标系原点位于机器人的重心，假设任意时刻机器人四腿相对于机器人坐标系的位置已知，即四腿的坐标已知，那么就可求出两条稳定确认直线的数学方程，这样就可以确定机器人重心所在的象限．如果机器人重心在第一象限，那么机器人下一步行走时就不能抬起１腿和２腿，因为这样将导致机器人失去平衡而向前倾倒，所以机器人下一步须抬起３腿或４腿方司向前行走，可见重心所在象限决定了机器人下一步可以抬起哪条腿，亦即要保持机器人稳定运动，则其４条腿的运动顺序是重心位置的函数．这个理论隐含着一个重要假设，即机器人每次只能处于下列两种状态中的一种状态：一是机器人前移身体而保持四
万
方数据条腿静止触地，二是机器人前移抬起一条腿而保持身体静止．需要注意的是，机器人每行走一步，只需修改一条稳定确认直线的数学方程．
假设机器人下一步需前移３腿，但此时重心恰好位于第三象限，为保持平衡，机器人必须先前移身体，使重心落于第一象限后方可前移３腿．那么机器人身体需前移多少呢？如图１５所示，稳定确认直线２与机器人坐标系的Ｙ轴相交，交点到坐标原点，即交点到机器人重心的距离ｄ，即为３腿抬起后系统仍保持稳定所需的机器人身体前移的最小距离．
粕州
图１４稳定确认直线
Ｆｉｇ．１４
ＳＡＬｓ
图１５身体前移的定量分析Ｆｉｇ．１５
Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ
ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｏｒｗａｒｄｍｏｌｌｏｎ
３．３控制算法
腿式机器人缺少强大的控制方法，因为它们的确很难控制．主要由于它们：①是非线性系统；②在整个状态空间中运动；③在重力的作用下运动；④与半结构化的复杂环境相互作用；⑤不稳定；⑥属于多输人多输出系统；⑦具有时变性和间歇动态性；⑧既需要连续控制又需要离散控制．此外，腿式机器人的
第２８卷第１期刘静等：腿式机器人的研究综述
性能评价方法也与典型系统的有所不同，不再以系统的跟随能力和抗扰能力作为评价指标，而通常用与某种生物的相似程度、效率、运动稳定性、最高速度以及对粗糙地面的适应性等指标加以评价．上述难点导致设计和分析腿式机器人控制系统的困难．现阶段．分析这类系统的普遍工具是仿真和实
验㈦．
（１）姿态控制算法”１
这种算法的基本思想是：已知机器人的腿对身用数学语言表达如下（假设机器人有四条腿）：
量．
暖主
Ｊ，，
量．。
，。Ｊ，。Ｊ
乳
量．，
其中孽１＝【Ｆ，■ｔ】和ｙＴ＝［幔哆鸠】已知，
要求量．、量。孽。和ｇ，文［８］介绍了３种求解上述矩
阵方程的方法，可以解出曼、要．、孽ｉｉｉ和乳．这样，通
（２）运动控制算法
文［１２］介绍了虚拟模型控制（ｖｉｒｔｕａｌ
ｍｏｄｅｌ
ｃｏｎ—
文［１２］做了一些必要假设并经过一系列推导，＝
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给定虚拟的力，就可以求得作用在关节上的真实力矩．该方法已经在双腿机器人ＳｐｒｉｎｇＴｕｒｋｅｙ的控制
上得到应用，并取得了较好的控制效果．
（３）步态规划算法”“
这种算法的基本思想是：已知机器人的腿部末端在坐标系中的位置，求腿部各个关节的关节角．当关节角确定后，就可以构造机器人的步态模式．
４存在的问题（Ｐｒｏｂｌｅｍｓ）
腿式机器人仍面临许多待解决的问题：
（１）有些腿式机器人的体积和重量很大，在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现，而且这种机器人的速度和机动性较差．因此，应该适当缩小机器人的体积，减轻机器人的重量．
（２）大多数腿式机器人研究平台的负荷不大”“，导致它们没有能力负载视觉设备，而且腿式机器人的视觉研究也不很成熟，而视觉恰恰是腿式
机器人自主化和智能化的关键．要解决这个问题，首先还需改进现有腿式机器人的机械机构设计，使其能够承受更大的负载；其次是改进视觉图像处理的算法，增强图像处理的实时性、快速性和准确性．
（３）腿式机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高．
（４）腿式机器人的控制方法也需改进，机器人系统的复杂性使其控制算法复杂化，但有些算法很难实现甚至不能实现，因此应简化机器人控制算法。实现用较简单的控制算法获得令人满意的控制效果的目标．另外，腿式机器人现有的控制方法还有待完善和发展．
（５）能源问题．寻求新型可靠的能源为机器人供电，实现机器人长时间在户外行走的目标．５展望（Ｏｕｔｌｏｏｋ）
随着腿式机器人的研究日益深入和发展，腿式机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应性等方面的性能将不断提高，自主化和智能化将逐步实
体共同作用产生的力和力矩向量，求每条腿上的力．过控制每条腿上的力向量，就可以使机器人达到预定的姿态，实现了机器人姿态的可控性，以适应不同
地形．
ｔｒ０１）方法．虚拟模型控制是一种运动控制语言，它用虚拟机械元件的仿真产生力，这种力通过真实的关节力矩加以作用，因此产生虚拟元件和机器人相连接的效果．虚拟机械元件可以是简单的弹簧、轴承、阻尼器等．这种方法的优点在于：用一组简单的虚拟元件可以很容易地刻画传统方法难以描述的复杂任务；使得机器人的算法设计更简单、更直观，而且需要较小的计算量，可分布式实现；因为虚拟元件具有连续性，这样即使高层控制器进行离散控制，整个运动也是连续的；高层控制器也可以在状态转换时改变虚拟元件的连接和参数．
得到单腿和双腿机器人实现虚拟模型控制的矩阵等式，描述了虚拟力和关节力矩的关系．它们分别是：
机器人２００６年１月
现，将能够满足更多特殊环境和场合的需要，因而具有广阔的应用前景．
腿式机器人有两个值得关注的趋势：（１）腿式机器人群体协作
多个腿式机器人协调合作共同完成某项任务．与单个腿式机器人相比。多个腿式机器人的总负荷更大，可以携带的仪器和工具更多，功能性更强．它们之间通过通信进行协调，也可以按照某种规则指定主机器人和从机器人”“，从而按照一定的队形ⅢＪ和顺序对目标进行不同的测量和操作．而且当其中某～腿式机器人出现故障时，其它机器人还可以照常工作，大大提高了工作效率和可靠性，
（２）自重构腿式机器人
自重构腿式机器人比起固定结构的腿式机器人对地形的适应性更强，可应用的场合更多．当穿越管道时，它可以变成蛇形；当穿越崎岖的地形时，它可以变成腿式机器人；当需要潜入海里时，它又可以变作鱼形；还可以通过改变自身的外形和步态攀登楼梯并进入建筑物”“．因此，自重构机器人是腿式机器人的发展方向之一．
［１］ＭｉｌｌｅｒＤＰ．Ｍｕｌｔｉｐｌｅｂｅｈａｖｉｏｒ－ｅｏｎｔｒｏｎｅｄｍＪｃｒｏ－ｒｏｂｏｔｓ
ｈｐｌａｎａｒ，７
ｇｌｌｒｈｏｅｍｉｓｓｉｏｎｓ
ｒＡｌ．Ｐｒｏｅｃｅｄｉｎ牮ｏｆｔｈｅｌＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒ－
ｅ呻ｅ硼Ｓｙｓｔｅｍｓ．ＭａｎａｎｄＣｙｂｏｍｃｔｌｏｓ［ｃ］．ＵＳＡ：ＩＥＥＥ．１９９０．
２８９—２９２
Ｆ．ＮｅｉｇｈＭＥ．Ａｍｈｉｔｃｅｔｕｔ＇ｅｓｆｏｒａｂｌｏｍｉｍｅｔｉｅｈｅｘａｐｏｄ＂
ｂｅｔ［Ｊ］．ＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＲｕｔＯｔｌＯｌｎｏｔＬ，ｓｓｙ眦ｎＨ，２０００，３０（１）：５—１５
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ｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
ＲｏｂｏｔｓｓｎｄＳｙｓｔｅｒｎｓ（ＩＲＯＳ’９０）［ｃ］．ＵＳＡ：ＳＰＩＥ。
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作者简介：
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腿式机器人的研究综述
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
刘静， 赵晓光， 谭民， LIU Jing， ZHAO Xiao-guang， TAN Min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机器人ROBOT
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