【正文】 眾多步行機器人中，模仿昆蟲以及其他節(jié)肢動物們 的肢體結構和運動控制策略而創(chuàng)造出的六足機器人是極具代表性的一種。六足機器人與兩足和四足步行機器人相比，具有控制結構相對簡單、行走平穩(wěn)、肢體冗余等特點，這些特點使六足機器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測等對獨立性、可靠性要求比較高的工作。國內外對六足機器人進行了廣泛的研究，現(xiàn)在已有 70 多種六足機器人問 世，由于六足仿生機器人多工作在非結構化、不確定的環(huán)境內，人們希望其控制系統(tǒng)更加靈活，并且具有更大的自主性。同時六足仿生機器人肢體較多，運動過程中需要實現(xiàn)各肢體之間的 協(xié)調工作，如何方便可靠的實現(xiàn)這種協(xié)調，也是六足仿生機器人結構設計 研究的一個熱點。 六足步行機器人 的發(fā)展現(xiàn)狀 早期的六足機器人： 隨著美國宇航總署對外太空探測計劃的不斷深入，迫切需要一種可以在未知復雜星球表面執(zhí)行勘探任務的機器人。由于六足機器人的所具有的這方面優(yōu)點，使其早在上世紀八十年代就已被列入資助研究計劃。其研究成果包括八十年代末的 Genghis 和九十年代初的 Attila 和 Hannibal。 Genghis（如圖 1– 1 左）是由 irobot 公司研制于 80 年代，每條腿裝有兩個電機，使得它可以自由行動，但是因為每腿只有兩個自由度，行動有些笨拙。采用遞歸控制結構，可以使 Genghis 在復雜路面上行走，包括橫越陡峭的地勢，爬過高大的障礙，避免掉下懸崖。 六足行走運動平臺結構設計 2 圖 1— 1 Genghis 和 Attila Attila（如圖 1– 1 右）和 Hannibal 是由麻省理工學院的移動式遙控機械裝置實驗室于九十年代早期研制成功。他們是該實驗室最早用于自主行星探測的機器人。他 們外形相同，只在顏色上有差異，都是 Genghis 的“后代”。它們在設計上強調模塊化子系統(tǒng)結構，各個部分（如頭部、腿部和身體）被當作獨立的模塊來處理。它的設計重量和尺寸受系統(tǒng)復雜程度的制約，為了保證其在太空運行的可靠性，采用了冗余設計：從機械角度看，六條腿行走時，一旦有某條腿失效，余下的腿仍然可以行走；從傳感器的角度看，這種冗余可以讓來自不同位置的傳感器將信號傳給主控制器，以更有效地分析地形。當有傳感器失效時，剩下傳感器仍可以讓機器正常運行。 九十年代中期的六足機器人： 對于跨海登陸作戰(zhàn)的部隊來說，淺灘地雷無 疑 是最危險也最頭疼的登陸障礙，出于這點考慮，美國麻省理工大學和旗 下的 isrobot 公司得到國防部高級研究計劃局的資助，研制了兩代淺灘探雷機器人 Ariel。 Ariel（如圖 1– 2 左）由美國 isrobots 公司于 1995 年研制。身體配備多種傳感器，對周圍環(huán)境和自身狀況的感知非常靈敏。并配備一套自適應軟件，可對一些變化做出積極的反應。它是可以完全翻轉的，如果海浪將它打翻，他還可以“底朝上”的繼續(xù)行走。Robot II（如圖 1– 2 右）是由 Case Western Reserve 大學 ,機械及航天工程學院的仿生機器人 實驗室研制。它的控制器在場外的計算機中。步態(tài)控制器基于節(jié)肢動物腿部協(xié)調工作的機理。通過改變一個簡單的速度參數(shù)，步態(tài)可以從一個緩慢的波動步態(tài)轉換到快速的三足步態(tài)。通過將仿昆蟲反射與步態(tài)控制器結合，它可以在復雜的路面上行走。 六足行走運動平臺結構設計 3 圖 1— 2 Ariel 和 Robot II 近年完成的典型六足機器人： Scorpion（如圖 1– 3）是由美國波士頓東北大學海洋科學中心自主水下機器人研究小組和德國 Fraunhofer 自主智能系統(tǒng)研究所（ AIS）共同完成于 2021 年。這項工程的目標是運用集成來自行為學實驗和無脊椎動物的神經(jīng)生 物學數(shù)據(jù)的低級行為指令，通過高級的控制模式來組成行為序列，實現(xiàn)復雜的行為。機器人的設計是根據(jù)來自多足節(jié)支動物的解剖學數(shù)據(jù)。其采用機器人的行走控制基于兩個仿生控制元：中央模式生成元和基本運動的高級行為元。 圖 1— 3 Scorpion 和 Tarry Tarry（如圖 14）由德國杜伊斯堡大學機械工程部機械學院研制，項目始于 1998 年。它是在前一代六足機器人 TUM的基礎上研制的。仍然采用 Holk Cruse教授的 Walk控制結構，完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，這使其行動很靈活。 六足行走運動平臺結構設計 4 步行機 器人國內外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 對移動機器人的專門研究始于 60 年代末期。斯坦福研究院 (SRI)的 Nils Nilssen和 Charles Rosen等人在 1966年至 1972年中研制出了名為 Shakey的自主移動機器人，用于應用人工智能技術在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制的研究。與此同時 ,最早的操作式步行機器人也研制成功 ,美國的 Shigley 和 Baldwin 都使用凸輪連桿機構設計了機動的步行車，但由于技術水平限制，所設計的步行機效率低而且對地面的適應性也差，從而開始了機器人步 行機構方面的研究 ,以解決機器人在不規(guī)則環(huán)境中的運動問題。這一階段比較典型的是美國的 Mosher 于 1968 年設計的四足車“ Walking Truck”，如圖 1— 4，步行車的四條腿由液壓伺服馬達系統(tǒng)驅動，安裝在駕駛員手臂和腳上的位置傳感器完成位置檢測功能。雖然整機操作比較費力，但實現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機發(fā)展史上的一個里程碑。但從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來說，這種要人跟隨操縱的步行機并沒有體現(xiàn)步行機器人的實質性意義，只能算作是人操作的機械移動裝置。 圖 1— 4 四足車 Walking Truck 隨著電子技術發(fā)展，計算機性能的提高，使多足步行機器人技術進入了基于計算機控制的發(fā)展階段。其中有代表性的研究為： 1977 年， Robert McGhee 在俄亥俄州立大學研制的似昆蟲的六足機器人。其采用多種標準步態(tài)行走、轉彎、側移及跨越較小的障礙 物，計算機的任務為對機器人運動學進行計算以協(xié)調產生驅動的 18 個六足行走運動平臺結構設計 5 電機，從而保證機器人的質心落在支撐多邊形內；為更好的適應地形 ， 在以后的發(fā)展中又為其增加了力傳感器和視覺傳感器。 Hirose 根據(jù)他研制機器蛇的經(jīng)驗，設計了采用三維縮放式腿部機構并搭建了一個小型四足機器人；由于該機構把驅動運動直接轉化為笛卡爾坐標系下的運動，從而大大減輕了計算機的計算量，而且由于運動過程中驅動只做正功，因此該機器人具有較高的效率。 1985 年， Robert McGhee研制了一臺更先進的試驗樣機 —— 適應性主動隔振步行機 (Adaptive Suspension Vehicle，簡稱 ASV,圖 1— 5)。 ASV 是監(jiān)控式步行機，它攜帶一名提供監(jiān)控級命令的操作者，其中使用了與自治式動作相同的那些機械技術和控制技術，但操作者不直接對驅動電機進行控制，而是通過控制桿和鍵控盒輸入指令來控制機器人產生相關動作。 1983 年， Odetics 公司推出的六足機器人 Odex1，圖 1— 6 所示，把六條腿均勻分布在一個圓形框架上，可方便的實現(xiàn)全方位運動，而且能夠通過對形體的重構改變機器人的形狀，是對傳統(tǒng)的長方形框架六足步行機的挑戰(zhàn)。麻省理工的 Raibert利用相對自由度數(shù) 較少的簡單腿部機構建造了一些機器人，利用簡單的控制，這些機器人能夠實現(xiàn)走、跑、跳等動作，實現(xiàn)主動平衡，如圖 1— 7 所示。 1993 年 ,美國卡內基 梅隆大學開發(fā)出有纜的八足步行機器人 DANTE，圖 1— 8 所示 ,用于對南極的埃里伯斯火山進行了考察，其結構由 2 個獨立的框架構成。這一階段研究的重點在于機器人的運動機構的設計、機器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機器人行走運動控制過程的應用。 Boston Dynamics 公司的 Big Dog 四足機器人用于為軍隊運輸裝備，其高 3 英尺，重 165 磅，可以以 英里的速度行進 ，其采用汽油動力。 圖 1— 5 Adaptive Suspension Vehicle 圖 1— 6 Odex1 步行機器人 六足行走運動平臺結構設計 6 圖 1— 7 MIT 腿部實驗室的四足和雙足機器人 圖 1— 8 DANTE 步行機器人 由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術的發(fā)展、對步行機器人運動學、動力學高效建模方法的提出以及生物學知識的增長促使了步行機器人向模仿生物的方向發(fā)展。 2021 年美國研制出六足仿生步行機器人 Biobot（圖 1— 9） ,采用氣動人工肌肉的方式驅動 ,壓縮空氣由步行機 上部的管子傳輸 ,并由氣動作動力， 驅動各關節(jié) ,使用獨特的機構來模仿肌肉的特性。與電