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四足步行机器人研究现状及展望

(郑州轻工业学院机电工程学院河南郑州)

摘要：文章对国内外四足步行机器人研究现状进行了综述，归纳分析了四足机

器人质心距离测量系统研究的关键技术，并展望了四足机器人的发展趋势。

关键词：四足步行机器人；研究现状；关键技术；发展趋势

引言：目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。其中，

四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、

娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视。

1国内外研究四足步行机器人的历史和现状

20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机

器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的

研制工作进入了广泛开展的阶段。

世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由Frank和McGhee于1977

年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关

节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现

[1]

固定的运动形式。

20世纪80、90年代最具代表性的四足步行机器人是日本ShigeoHirose

实验室研制的TITAN系列。1981～1984年Hirose教授研制成功脚部装有传感

和信号处理系统的TITAN-III[2]。它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测

与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，

[3]

实现在不平整地面的自适应静态步行。TITAN-Ⅵ机器人采用新型的直动型腿

机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的

支撑相和摆动相分别进行驱动。

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2000-2003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外

形的机器人Tekken-IV，如图1所示。它的每个关节安装了一个光电码盘、陀螺

仪、倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完

成的。Tekken-IV能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控

制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了激光和

CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无

碰撞快速行走。

目前最具代表的四足步行机器人是美国Ｂｏｓｔｄｙｎａｍｉｃｓ实验室

研制的ＢｉｇＤｏｇ。如图２所示。它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬，

可以负载高达５２ＫＧ的重量，爬升斜坡可达３５°。其腿关节类似动物腿关

节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运

动通过伺服电机来控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但

由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器

人行走时引擎会发出怪异的噪音。

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国内四足机器人研制工作从２０世纪８０年代起步，取得一定成果的研

究机构有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。

上海交通大学机器人研究所于１９９１年开展了ＪＴＵＷＭ系列四足步行机

器人的研究。１９９６年该研究所研制成功了