四足步行机器人文献综述文档格式.docx
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稳固性和操纵难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最正确的足式机器人形式[1],四
足机器人的研究深具社会意义和有用价值。
四足机器人的研究可分为早期探究和现代自主机器人研究两个时期。
中国古代的'
'
木牛流马"
以及国外十九世纪由Rygg设计的'
机械马"
，是人类对足式行走行机器的早期探究。
而Muybridge在1899年用连续摄影的方法研究动物的行走步态，那么是人们研究足式机器人的开端。
20世纪60年代，机器人进入了以机械和液压操纵实现运动的进展时期。
美国学者Shigley（i960）和Baldwin（1966）都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车[2]。
这一时期的研究成果最具代表性的是美国的Mosher于1968年设汁的四足车'
WalkingTruck"
[3]（图1）。
图1Walkingtruck
80年代，随着运算机技术和机器人操纵技术的广泛研究和应用，真正进入了具有自主行为的现代足式机器人的广泛研究时期。
2、现代自主机器人的研究状况
以微型运算机技术广泛应用为标志的现代四足机器人的研究和应用受到世
界广泛的关
注。
现代四足机器人研究最系统和取得研究成果最多的是日本东京工业大学
的広瀨茂男等领
导的広癞•福田机器人研究室（HIROSE・FUKUSHIMAROBTICSLAB）,该实验室从80年代
开始四足机的研究，连续研究20多年，共试制成功3个系列、12款四足机器人。
发表相关研
究论文172篇［4］。
其它如美国的
MIT,卡耐基梅隆大学，加拿大，德国，法国，新加坡，韩国
等国家均有四足机器人样机研制成功。
国内也进行了四足机器人的基础研究和试验研究，如
吉林工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学，哈尔滨工业大学，中国科技大学等单位。
表1列出了国内外要紧从事研究四足机的单位和其研制的典型样机型。
表I国内外部分四扯机器人研究机构和代表机器人•览表
典型机器人型号
硏究单位
网址
KIMO-LPV-ILTITAN.
NTNJA系列
HIROSEFUKUSHIMAROBTICSLAB
hdp^www-robot.nws.lilech.ae.j^
robot/walkingc.html
Tekken系列、Patrush
UEC
www.kimura.is.ucc.ac.jp
Collie系列
Tokyo.univ.TsuchiyaLab
^wv.kimura.is.ucc.ac.jp
BigDog&
liltlcDog
BostonDynamics
RoboDog
Roboscicnc
MIT4-lcunairobots
MITLegLab
wwv.ai.mil.cdu
A1BO系列
SonyPctRobot
uwv.sony.nct
SCOUT系列
McGillUniv.AmbulatoryRoboticsLab
www.cim.nKgill.ca
SIL04系列
IAI.CSIC,Spain
www.iai.csic.es
Strut&
Scamper系列
MELHORSE
g.osakau.ai.jp
JTUWM系列
1•海交迪大方机器人研究所
www.robot.sj
3、国外研制的典型样机和要紧特点
四足机器人研究的代表是日本东京工业大学的広瀨•福田机器人研究实验室。
从80年开
始至今已研制出3个系列12款四足机器人。
第一代四足移动机器人KUM0-I外形似长腿蜘蛛
（图2）,它是世界上第一个具有自主行走的现代足式机器人［5］。
随后研制成功世界上第一个能上下爬行楼梯的四足机器人
PV-II（图3）。
之后研制成功两款NINJA系列爬壁系列机器
人和8款TITAN系列以野外探测和挖掘地雷为使用LI标的机器人。
其中最有代表性的是
TITAN系列机器人TITAN—VIII［6］（图
4）。
该款机器人的软硬件齐全，功能比较完备，具有
多种运动步态选择。
在该上机配套先进而完整的专门针对四足移动机器人开发的操作系统
VK-I,因而该机器人专门适合于教学研究用。
整机售出约50多套给日本的多个大学和研究所及世界专门多研究机构作为基础研究和应用研究的平台。
其差不多参数:
每足具有3个自曲度，其中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度,膝关节具有一个上下转动自曲度。
采纳新型的电机驱动和绳传动，质量约40kg,有效负载5〜7kg,行走速度决定于负载情形，一样在0.3〜0.9m/s之间变化。
另一款有特点的机型是90年代研制成功TITAN-VI型，该步行机采纳新型的直动型腿机构，幸免了上楼梯过程中腿间的干涉，并采纳2段变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动，能以50mm/s的速度，在倾角为30°
~40°
楼梯上步行。
90年代広瀨茂男等研制成功壁面全方位移动系列机器人NINJA-I
（图5）及NINJA-II,NINJA-1的每条腿山3自山度的平行连杆机构构成，长、宽、高分别为:
1800mm,500mm,400mm,质量45kg,各关节轴由12个40w的直流电机驱动，每个脚底的吸盘被分为20个小吸盘，产生大约1300N的吸力，上升速度为48cm/min,横向移动速度为96cm/min.能在壁面及天花板上全方位移动。
近年研制成功的典型四足机器人是TITAN-IXE7]（图6）。
为适应如此复杂的任务，专门研制了更先进的机器人操作操纵系统VK-II。
截至目前，広瀨•福田研究室已研制出第12款机器人TITAN-XI[8]o
农2広瀨福111研究室研究的典型㈣足机器人
研制顺序
世号
结构特点和用途
1
KUMO-1
麗长1.4m•_$：
IOKg泄界第一个能四足行走的仿他蛛机器人
2
PV-II
魄长0.9叫重10KG,世界第•个能爬搂梯的四足机器人
3
TTTAN-ni
腿长1.2叫虫80Kg,有足底传感器，能越障
4
TITAN-IV
朋长1・2mM16%半年累计行走40Km.PT1•下楼梯
5
TITAN-V
结构轻，用于研究动态步行控制
6
TIAN-VI
用于上下楼梯的动态步行研究
7
NINJA-I
舉面行走研究试舲机器人
8
NINJA-II
长1.8n\宽0・5m，厚0.4m」住面移动机器人
9
TITAN-VII
作为可攀爬陡醴的宦曝的脚T•架机器人
10
TITAN・Vm
软硬件结构充备的教学研究机器人。
售岀50彩套。
11
TTTAN-TX
腿能作为机械于使的用排雷机器人,操控系统VK・H
12
TITAN-XI
2・2卅3・4卅2・4m,液斥驱动攀崖作业机器人
另外，日本电气通信大学的木村浩（HiroshiKimura）等研制成功专门有特点的两个系列四足步行机器人Patrush系列和Tekken系列。
二代Patrush—II（图7）,用两个微处理机操纵，采
用瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关。
最具有创新性的成果是采纳基于神经振荡子模型CPG（CentralPattern
Generator）的操纵策略［9,10］。
而
CPG是足式机器人近10年来在操纵方面取得的最具突破性成果［lllo2000-2003年研
制成功具有宠物狗外形的机器人Tekken系列的第四代，Tekken3和Tekken4采纳了新颖的机构设计和激光导航系统［12］,该系列继承了Fatrush系列的优点。
第四代Tekken-IV（图8）用一台
PC机系统操纵，瑞士血xon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾
角讣和触觉传感器。
操纵系统也采纳基于神经振荡子模型的CPG操纵器和反射机制构成的系
统，其中基于CPG的操纵器用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号
的反馈，来改变CPG的周期和相位输出°
Tekken4能够实现不规那么地面的自适应动态步行，
显示了生物鼓舞操纵对未知的不规那么地面有自适应能力的优点。
Tekken系列另一特点是利用
了激光和CCD摄像机导航，成功的实现在封闭回廊中无碰快速行走，且能够辨别和避让前方
存在的人和动物。
日本进行四足机器人研究的还有日本东北大学。
1992年，日本东北大学的木村浩
（HiroshiKimura）、中野栄二等研究开发出具有四腿和两轮分别独立移动的混合步行机器人
Chariot-I,2004年，开发出腿轮移动机器人Chariot-Iir，,并对其进行步态及操纵方面的研究。
2005年，他们开发供高龄人、残疾人等步行困难者使用的步行机器人Chariot-IVo该步行机
具有较高机动性和不平地面步行的稳固性，可自如地上下台阶。
另外还有日本的空气动力实
验室fKyotoUniv.TsuchiyaLab）也在研究四足机[13]。
美国的MITLegLab实验室早在1986年研制完成了一款四足机器人。
美国的四足机的典
型代表是卡耐基美隆大学的Bostondynamics实验室研制的BigDog（图9）和LittleDog（图10）。
BigDog是最像仿生对象的仿生气器人，外形和体特比例专门像一头凶残的猎犬，负载52KG的重量能够在粗糙的瓦砾地面或泥泞地面以不同步态自如行走，野外行走能力专门强。
最大的
特点是具有较强的机体平稳能力，在剧烈的侧面冲击作用下，能保持平稳而不倒。
在卡耐
基.梅隆大学2006.11.3的机器人学术报告会上，Martin
Buehler（DirectorofRoboticsBoston
Dynamics）称，已列入打算将BigDog的四足机器人深入研究，使其性能达到能走、跑、平稳、
爬行等动态移动、运载物资、识别粗糙地势能力、自主操纵能力等方面达到一个新的水平［14］。
加拿大McGill大学智能机器中心（CentreforintelligentMachines
McGillUniversity）
Ambulatory机器人技术实验室（AmbulatoryRoboticsLab）研制了两代四足机器人Scout-I和
Scout-II[15],
Scout-I要紧用来进行行走操纵，每条腿
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