模仿动物行走的腿式机器人是未来发展趋势吗？

在自然界和人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如行星表面、工地、矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些环境进行不断的探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。不规则和不平坦的地形是这些环境的共同特点，使轮式机器人和履带式机器人（插入之前2篇文章链接）的应用受到限制。

在这种背景下,腿式机器人的研究蓬勃发展起，而仿生腿式机器人的出现更加显示出腿式机器人的优势。下面，人工智能机器人联盟小编带您一览腿式行走机器人的前生今世。

一、技术瓶颈

腿式机器人的前世今生：

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。R aibert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。

二、腿（足）式机器人的分类：

腿式机器人的分类主要是根据腿（足）的数量进行的。有单腿机器人、双腿机器人、四腿机器人、六腿机器人、八腿机器人等。

1. 单腿（足）机器人

尽管单腿机器人在实际应用中存在局限性，但其基本的SLIP ( Spring Loaded Inverted Pendulum) 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。对于动力学模型，在此不予赘述。

2. 双腿机器人（双足机器人）

提到双腿(双足)机器人，Boston Dynamics 研发的Atlas机器人及本田公司的机器人 ASIMO 不得不提，网络上关于哪个更加先进，一直是争论不休的热门话题。

2013年美国波士顿动力公司研制的“ATLAS”机器人是当前仿人形机器人的一个代表，除了具有人形外观，还具备了人类简单的识别、判断以及决策功能，是一款具有较高智能化的类人机器人。该机器人能在传送带上大步前进，躲开传送带上突然出现的木板，能从高处跳下稳稳落地，能两腿分开从陷阱两边走过，能单腿站立，被从侧面而来的球重撞而不倒。

本田公司于2000年研发的仿人形机器人“ASMIO2000”不仅具有人的外观，还可以事先预测下一个动作并提前改变重心，因此转弯时的步行动作连续流畅，行走自如，是第一个具有世界影响力的仿人形机器人。

两个机器人可以说分别代表了现代电机控制和液压控制双腿人形机器人的巅峰，这也是它们最大的区别所在。对于人形机器人，主要可以将其分为机械结构（structure），感知（perception），控制（control）三大板块。

目前波士顿动力的猎豹机器人是世界上运动速度最快的腿式机器人，约为29迈，打破了MIT在1989年创下的13.1迈的历史记录。

3. 四腿（足）机器人——Big Dog(大狗机器人)

大狗机器人是由波士顿动力学工程公司（Boston Dynamics）专门为美国军队研究设计，目前来看，这部机器人可以的算是四足机器人中最具有代表性的一种防生器人了。大狗具有良好的负重能力，平稳性和鲁棒性极好，可以帮助人类承担运送弹药和物资等的任务，由于可以跑得比人类还快，而且具有钢铁之躯，所以可以作为良好的战斗前锋队，并且其身上装有视觉以及定位系统，可以很好的完成跟随等任务。美军正在将阿富汗作为测试大狗试验场。

通过对大狗在雪地、泥地以及岩石琐屑等恶劣地质条件下的测试得到，大狗可以跳跃至1.1米的高度，携带154千克的重物，并且可以完成路程10千米，时长约2.5小时的长途跋涉。

其实，波士顿动力还推出里一款小狗机器人(LittleDog)，这款机器人主要是用于一些基础研究，例如对电机的学习，对动力的控制，对环境的感知，以及轮胎式运动(其脚部采用轮式)。小狗身体内的主机可以通过传感器采集到关节角，电机电流，身体朝向，以及脚掌与地面的应力。其已经在麻省理工，斯坦福，卡内基梅隆，南加州等大学作为DARPA资助下的的一项研究被广泛利用。

4. 六腿（足）机器人：

MARS(Multi-Appendage Robotic System)是一种具有六只腿的机器人，采用自适应的控制算法可以在沙地等恶劣环境下进行行走，并驮载一定的负荷。

不久前，美国研制出仿生六腿机器人——“无限先驱者机器人”，奔跑时速达到32公里，可在不同地形表面奔跑。它是当前世界上首款可购买到的多腿奔跑机器人，最便宜的一种型号售价299美元。这是一种六腿机器人，奔跑时具有均匀的质量分布，可模拟多腿动物的奔跑特征，复制它们的奔跑步调，从而运行时轻巧灵活，具有自平衡性。

这类机器人目前研究较少，基本都是放植物动物，且多是基于四足、六足机器人进行改进变形。

不久前在德国举行的电子艺术节上，来自日本千叶工业大学机器人技术发展中心的一个机器人受到了关注。它最大的特点是长了 8 条腿，据悉，这一设计的灵感来自于在加拿大和中国发现的某种远古昆虫的化石。因此，这个机器人也被命名为“怪诞虫”。

三、腿式机器人的特点：

（1）腿式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，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的点接触地面，对这种地形的适应性较强，正因为如此，腿式机器人对环境的破坏程度也较小。

（2）腿式机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置，因此不易翻倒，稳定性更高。

（3）腿式机器人的身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于，机器人的身体可以平稳地运动而不必考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置。当机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，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。

当然，腿式机器人也存在一些不足之处：

比如，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；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是很成熟而视觉恰恰是腿式机器人自主化和智能化的关键。

此外，能源问题也不可忽视。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。

四、腿式机器人前景——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和顺序对目标进行不同的测量和操作。而且当其中某一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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