【正文】 眾多步行機(jī)器人中，模仿昆蟲以及其他節(jié)肢動(dòng)物們 的肢體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制策略而創(chuàng)造出的六足機(jī)器人是極具代表性的一種。六足機(jī)器人與兩足和四足步行機(jī)器人相比，具有控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、行走平穩(wěn)、肢體冗余等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使六足機(jī)器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測(cè)等對(duì)獨(dú)立性、可靠性要求比較高的工作。國(guó)內(nèi)外對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行了廣泛的研究，現(xiàn)在已有 70 多種六足機(jī)器人問(wèn) 世，由于六足仿生機(jī)器人多工作在非結(jié)構(gòu)化、不確定的環(huán)境內(nèi)，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(shí)六足仿生機(jī)器人肢體較多，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)各肢體之間的 協(xié)調(diào)工作，如何方便可靠的實(shí)現(xiàn)這種協(xié)調(diào)，也是六足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 六足步行機(jī)器人 的發(fā)展現(xiàn)狀 早期的六足機(jī)器人： 隨著美國(guó)宇航總署對(duì)外太空探測(cè)計(jì)劃的不斷深入，迫切需要一種可以在未知復(fù)雜星球表面執(zhí)行勘探任務(wù)的機(jī)器人。由于六足機(jī)器人的所具有的這方面優(yōu)點(diǎn)，使其早在上世紀(jì)八十年代就已被列入資助研究計(jì)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(gè)電機(jī)，使得它可以自由行動(dòng)，但是因?yàn)槊客戎挥袃蓚€(gè)自由度，行動(dòng)有些笨拙。采用遞歸控制結(jié)構(gòu)，可以使 Genghis 在復(fù)雜路面上行走，包括橫越陡峭的地勢(shì)，爬過(guò)高大的障礙，避免掉下懸崖。 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 圖 1— 1 Genghis 和 Attila Attila（如圖 1– 1 右）和 Hannibal 是由麻省理工學(xué)院的移動(dòng)式遙控機(jī)械裝置實(shí)驗(yàn)室于九十年代早期研制成功。他們是該實(shí)驗(yàn)室最早用于自主行星探測(cè)的機(jī)器人。他 們外形相同，只在顏色上有差異，都是 Genghis 的“后代”。它們?cè)谠O(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)模塊化子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各個(gè)部分（如頭部、腿部和身體）被當(dāng)作獨(dú)立的模塊來(lái)處理。它的設(shè)計(jì)重量和尺寸受系統(tǒng)復(fù)雜程度的制約，為了保證其在太空運(yùn)行的可靠性，采用了冗余設(shè)計(jì)：從機(jī)械角度看，六條腿行走時(shí)，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(lái)自不同位置的傳感器將信號(hào)傳給主控制器，以更有效地分析地形。當(dāng)有傳感器失效時(shí)，剩下傳感器仍可以讓機(jī)器正常運(yùn)行。 九十年代中期的六足機(jī)器人： 對(duì)于跨海登陸作戰(zhàn)的部隊(duì)來(lái)說(shuō)，淺灘地雷無(wú) 疑 是最危險(xiǎn)也最頭疼的登陸障礙，出于這點(diǎn)考慮，美國(guó)麻省理工大學(xué)和旗 下的 isrobot 公司得到國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的資助，研制了兩代淺灘探雷機(jī)器人 Ariel。 Ariel（如圖 1– 2 左）由美國(guó) isrobots 公司于 1995 年研制。身體配備多種傳感器，對(duì)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(yīng)軟件，可對(duì)一些變化做出積極的反應(yīng)。它是可以完全翻轉(zhuǎn)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(xué) ,機(jī)械及航天工程學(xué)院的仿生機(jī)器人 實(shí)驗(yàn)室研制。它的控制器在場(chǎng)外的計(jì)算機(jī)中。步態(tài)控制器基于節(jié)肢動(dòng)物腿部協(xié)調(diào)工作的機(jī)理。通過(guò)改變一個(gè)簡(jiǎn)單的速度參數(shù)，步態(tài)可以從一個(gè)緩慢的波動(dòng)步態(tài)轉(zhuǎn)換到快速的三足步態(tài)。通過(guò)將仿昆蟲反射與步態(tài)控制器結(jié)合，它可以在復(fù)雜的路面上行走。 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 圖 1— 2 Ariel 和 Robot II 近年完成的典型六足機(jī)器人： Scorpion（如圖 1– 3）是由美國(guó)波士頓東北大學(xué)海洋科學(xué)中心自主水下機(jī)器人研究小組和德國(guó) Fraunhofer 自主智能系統(tǒng)研究所（ AIS）共同完成于 2021 年。這項(xiàng)工程的目標(biāo)是運(yùn)用集成來(lái)自行為學(xué)實(shí)驗(yàn)和無(wú)脊椎動(dòng)物的神經(jīng)生 物學(xué)數(shù)據(jù)的低級(jí)行為指令，通過(guò)高級(jí)的控制模式來(lái)組成行為序列，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行為。機(jī)器人的設(shè)計(jì)是根據(jù)來(lái)自多足節(jié)支動(dòng)物的解剖學(xué)數(shù)據(jù)。其采用機(jī)器人的行走控制基于兩個(gè)仿生控制元：中央模式生成元和基本運(yùn)動(dòng)的高級(jí)行為元。 圖 1— 3 Scorpion 和 Tarry Tarry（如圖 14）由德國(guó)杜伊斯堡大學(xué)機(jī)械工程部機(jī)械學(xué)院研制，項(xiàng)目始于 1998 年。它是在前一代六足機(jī)器人 TUM的基礎(chǔ)上研制的。仍然采用 Holk Cruse教授的 Walk控制結(jié)構(gòu)，完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，這使其行動(dòng)很靈活。 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 步行機(jī) 器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 對(duì)移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人，用于應(yīng)用人工智能技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制的研究。與此同時(shí) ,最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功 ,美國(guó)的 Shigley 和 Baldwin 都使用凸輪連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)的步行車，但由于技術(shù)水平限制，所設(shè)計(jì)的步行機(jī)效率低而且對(duì)地面的適應(yīng)性也差，從而開始了機(jī)器人步 行機(jī)構(gòu)方面的研究 ,以解決機(jī)器人在不規(guī)則環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。這一階段比較典型的是美國(guó)的 Mosher 于 1968 年設(shè)計(jì)的四足車“ Walking Truck”，如圖 1— 4，步行車的四條腿由液壓伺服馬達(dá)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，安裝在駕駛員手臂和腳上的位置傳感器完成位置檢測(cè)功能。雖然整機(jī)操作比較費(fèi)力，但實(shí)現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。但從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來(lái)說(shuō)，這種要人跟隨操縱的步行機(jī)并沒(méi)有體現(xiàn)步行機(jī)器人的實(shí)質(zhì)性意義，只能算作是人操作的機(jī)械移動(dòng)裝置。 圖 1— 4 四足車 Walking Truck 隨著電子技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能的提高，使多足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了基于計(jì)算機(jī)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(xué)研制的似昆蟲的六足機(jī)器人。其采用多種標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)移及跨越較小的障礙 物，計(jì)算機(jī)的任務(wù)為對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行計(jì)算以協(xié)調(diào)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的 18 個(gè)六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 電機(jī)，從而保證機(jī)器人的質(zhì)心落在支撐多邊形內(nèi)；為更好的適應(yīng)地形 ， 在以后的發(fā)展中又為其增加了力傳感器和視覺(jué)傳感器。 Hirose 根據(jù)他研制機(jī)器蛇的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了采用三維縮放式腿部機(jī)構(gòu)并搭建了一個(gè)小型四足機(jī)器人；由于該機(jī)構(gòu)把驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)，從而大大減輕了計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，而且由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)只做正功，因此該機(jī)器人具有較高的效率。 1985 年， Robert McGhee研制了一臺(tái)更先進(jìn)的試驗(yàn)樣機(jī) —— 適應(yīng)性主動(dòng)隔振步行機(jī) (Adaptive Suspension Vehicle，簡(jiǎn)稱 ASV,圖 1— 5)。 ASV 是監(jiān)控式步行機(jī)，它攜帶一名提供監(jiān)控級(jí)命令的操作者，其中使用了與自治式動(dòng)作相同的那些機(jī)械技術(shù)和控制技術(shù)，但操作者不直接對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，而是通過(guò)控制桿和鍵控盒輸入指令來(lái)控制機(jī)器人產(chǎn)生相關(guān)動(dòng)作。 1983 年， Odetics 公司推出的六足機(jī)器人 Odex1，圖 1— 6 所示，把六條腿均勻分布在一個(gè)圓形框架上，可方便的實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，而且能夠通過(guò)對(duì)形體的重構(gòu)改變機(jī)器人的形狀，是對(duì)傳統(tǒng)的長(zhǎng)方形框架六足步行機(jī)的挑戰(zhàn)。麻省理工的 Raibert利用相對(duì)自由度數(shù) 較少的簡(jiǎn)單腿部機(jī)構(gòu)建造了一些機(jī)器人，利用簡(jiǎn)單的控制，這些機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)走、跑、跳等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)平衡，如圖 1— 7 所示。 1993 年 ,美國(guó)卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人 DANTE，圖 1— 8 所示 ,用于對(duì)南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其結(jié)構(gòu)由 2 個(gè)獨(dú)立的框架構(gòu)成。這一階段研究的重點(diǎn)在于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程的應(yīng)用。 Boston Dynamics 公司的 Big Dog 四足機(jī)器人用于為軍隊(duì)運(yùn)輸裝備，其高 3 英尺，重 165 磅，可以以 英里的速度行進(jìn) ，其采用汽油動(dòng)力。 圖 1— 5 Adaptive Suspension Vehicle 圖 1— 6 Odex1 步行機(jī)器人 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 圖 1— 7 MIT 腿部實(shí)驗(yàn)室的四足和雙足機(jī)器人 圖 1— 8 DANTE 步行機(jī)器人 由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對(duì)步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識(shí)的增長(zhǎng)促使了步行機(jī)器人向模仿生物的方向發(fā)展。 2021 年美國(guó)研制出六足仿生步行機(jī)器人 Biobot（圖 1— 9） ,采用氣動(dòng)人工肌肉的方式驅(qū)動(dòng) ,壓縮空氣由步行機(jī) 上部的管子傳輸 ,并由氣動(dòng)作動(dòng)力， 驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié) ,使用獨(dú)特的機(jī)構(gòu)來(lái)模仿肌肉的特性。與電