淺談四足機器人的發展歷史、現狀與未來

文 ／ 朱秋國 浙江大學

淺談四足機器人的發展歷史、現狀與未來

文 ／ 朱秋國 浙江大學

自然界中的四足哺乳動物遍布于地球各個大陸上，在地形環境適應性、運動靈活性和運動效率等方面具有顯著優勢，它們幾乎能在任何陸地上活動，不僅可以在崎嶇復雜地形環境下快速移動，有些還具有較好的負重能力。它們通過不同的方式適應了環境的變遷，并在自然界中得以生存和繁衍。

四足機器人的發展軌跡

借鑒四足動物獨特的運動特點，機器人學者開始了四足機器人的研究。

20世紀60年代，McGhee研制了世界上第一臺四足機器人。此后，國內外研制了一批先進的四足機器人，其中最具劃時代意義的當屬美國波士頓動力公司的Big-Dog，其出眾的運動能力以及強大的地形適應能力，使得它能夠適應山地、斜坡、叢林、冰面、雪地等復雜地形。近年來，具有強地形環境適應能力、高動態運動能力以及大負載能力的四足機器人越來越受到學者的重視。這些特點使四足機器人在非結構化地形環境下的物質運輸、災后救援、野外勘探、高危環境作業等領域具有較好的應用前景。

20世紀80年代，MIT Leg-Lab開展了腿足動態運動控制研究。他們在研制成功單腿機器人的基礎上，將控制算法拓展應用到了四足機器人中。四足機器人類似于將四個單腿機器人前后兩兩結合在一起，并在該機器人上實現了踱步、對角小跑以及跳躍三種步態，這是早期運動性能最為出色的四足機器人。這項研究為后續波士頓動力公司的四足機器人開發奠定了基礎。

2005年，美國波士頓動力公司推出的BigDog是四足機器人發展的一個重要里程碑。BigDog采用了伺服液壓缸作為其腿部的驅動器，配套了汽油發動機，為負重型四足機器人的研制提供了新思路，成功地實現了雪地、冰面、瓦礫等復雜地面下的穩定行，且在受到側向強擾動的情況下仍能保持平衡。LS3進一步改進了身體結構設計，實現了更大的負載能力，對野外復雜地形的通過能力和適應性有了進一步提高。在快速性方面，Cheetah的室內奔跑速度達到了45.5km/h，而WildCat在運動時可以實現小跑、跳躍和奔跑間的相互切換，是目前唯一可以在室外完成gallop奔跑的四足機器人。

圖1 MIT早期的單腿、雙足和四足機器人

圖2 BigDog、LS3、Cheetah和WildCat

由于上述機器人的液壓伺服系統需要發動機提供動力，存在自身質量重和噪聲大等問題，為此，波士頓動力公司研發了Spot和Spot Mini。Spot總重量約72千克，采用電液混合驅動，降低了運動噪聲，可實現靜態行走、對角小跑等步態，通過搭載的感知單元，可以在野外環境下穩定行走、上斜坡、上臺階，在受到側向推力時可以自主恢復平衡。Spot Mini重量更輕且完全采用電機驅動，極大地降低了運動噪聲，運動更為靈活，在Spot Mini上還可以搭載機械臂，完成物品抓取、遞送、開門等復雜動作。除此之外，在2012年MIT研制了全電機驅動的四足機器人Cheetah，該機器人通過力矩電機的反驅作用，實現對地面碰撞能量的回收，具有極高的能量利用率。采用虛擬力模型，通過地面反作用力控制，實現了trot和bound步態運動，以及gallop步態的仿真控制。2016年，蘇黎世聯邦理工學院推出了新一代四足機器人ANYmal，該機器人被設計用于惡劣環境下的自主作業，其軀體上安裝了激光傳感器和攝像機，用以感知環境地形進行地圖構建和自定位，能夠自主規劃導航路徑并且合理選取落腳點，已被應用于油氣站的工業檢測，在攜帶電池的情況下自重不超過30kg，能完成2小時自主巡檢作業。

我國四足機器人的研究進展

國內四足機器人的研究起步較晚，但也取得了一定的進展。2010年，為了提高國內四足機器人研究水平，縮小與國外的差距，國家863計劃先進制造技術領域啟動了“高性能四足仿生機器人”項目，旨在開展新型仿生機構、高功率密度驅動、集成環境感知、高速實時控制等四足仿生機器人核心技術研究，以建立高水平四足仿生機器人綜合集成平臺。山東大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學和上海交通大學均展開了液壓驅動的四足機器人研究工作，分別研制了各自的液壓驅動四足機器人樣機，在2013年國家地震緊急救援訓練基地進行了沙礫石地面、凹凸地形和坡道地形上的行走測試。中國北方車輛研究所研制的山地四足仿生機器人在“跨越險阻2016”中正式亮相，比賽成績優異。

圖3 Spot、pot Mini、MIT-Cheetah和ETH-ANYmal

圖4 山東大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學和中國北方車輛研究所的四足機器人

浙江大學自2011年開始研究單腿機器人的動態平衡控制與高能效問題。先后開展了帶腳踝關節的單腿機器人高能效跳躍和欠驅動單腿機器人的動態平衡控制研究。針對冗余多關節單腿機器人，通過研究膝踝關節剛度匹配問題，使得膝踝在跳躍過程中呈現較高的協調性，從而實現了最高跳躍高度35cm，最高跳躍能效值CoT為0.29。而平面內的單腿動態平衡跳躍運動，在跳躍過程中不僅需要滿足預期的前進速度，還要保持身體的平衡性，最終實現了0.8m/s的穩定前進跳躍。這些研究工作為后期研制四足機器人“赤兔”奠定了基礎。

圖5 單腿機器人高能效跳躍與動態平衡控制

2016年，浙江大學-南江機器人聯合研究中心在第3次世界互聯網大會上推出了四足仿生機器人“赤兔”。“赤兔”全身12個自由度，身長1m，寬0.5m、高0.6m，總重65kg，負載50kg，全身關節采用力矩電機進行驅動，通過加入小減速比的齒輪箱，實現了關節的力矩、速度和位置控制。“赤兔”機器人具有爬坡、爬樓梯、崎嶇路面行走、小跑和奔跑等功能，目前最快跑步速度超過6km/h。

圖6 四足仿生機器人“赤兔”

在四足機器人爬行步態中，浙大根據步態特性引入了狀態機進行步態控制，建立了在線運動規劃流程，提出一種基于COG（Center of Gravity）穩定性判據的路徑規劃方法與基于ZMP（Zero Moment Point）穩定性判據的重心軌跡規劃方法，有效保證了四足機器人身體運動軌跡的光滑性以及四足移動行走的穩定性。對于未知地形，提出了一種足端軌跡規劃方法確保四足機器人有效實現未知復雜地形上的擺動腿跨步。同時，根據感知策略獲取的地形信息，提出了四足機器人軀體的質心高度和姿態對于未知復雜地形的自適應控制方法。

針對四足機器人的bound奔逃步態，浙大提出了一種豎直虛擬彈簧模型，通過規劃機器人對地面的反作用力輪廓和相應控制率，實現機器人的跳躍運動。同時，引入了相位實時反饋計算，用于修改機器人運動過程中的節律偏差，最終實現了bound奔跑運動，也是目前國內唯一實現奔跑的電驅型四足機器人。

四足機器人的發展趨勢

縱觀國內外四足機器人的發展現狀，我認為四足機器人未來的發展趨勢可能有以下幾方面：

四足機器人將根據負載大小決定驅動的類型，電機驅動四足機器人系統開發和控制相對容易，在低噪聲上具有優勢，適用于中小型、低負載和低成本的平臺開發；而液壓驅動四足機器人盡管在運動快速性和大負載上都可以發揮其優勢，但是噪聲大，易漏油，更適用于室外應用。

在快速穩定上，除了波士頓動力公司之外，快速穩定跑步控制仍然是一項重大挑戰，因此開發快速跑步運動，且具有較強環境適應能力的四足機器人仍然將是機器人領域的研究熱點。

圖7 面向臺階地形的自適應行走與前向跳躍運動

腿足機器人由于每次落地與地面存在較大的碰撞，容易造成能量的損失，在有限能源的情況下，如何實現更加高能效的運動，開發更好性能的仿生機構和控制算法是未來的發展趨勢之一，另外結合腿足與輪式的優勢，開發出具有更強適應環境的混雜機器人系統，也許是一種更好的方式。

發掘更多的應用場景。由于四足機器人運動性能和開發成本等約束，四足機器人的應用仍然受到限制，因此如何結合國情特點，大膽開拓應用示范，在科研教育、抗災救險、偵察巡邏、以及太空探索等場合積極探索，也十分必要。四足機器人開發者如何將開發機器人產品與實際應用有機結合也是未來需要考慮的重要問題之一。

浙江大學-南江機器人聯合研究中心研制的“赤兔”四足機器人致力于打造國內四足機器人科研和教學的通用化平臺，為廣大機器人學者和愛好者提供高性價比的機器人開發平臺。該平臺不僅具備了基本的行走和跑跳功能，還為開發者提供了二次開發編程接口，開發者只需重新編寫程序即可體驗運動控制所帶來的獨特魅力。這種方式極大地減輕了研究者在工程量上的時間投入，使得大家可以集中精力研究機器人的運動控制、以及智能感知與控制等算法上，更快地促進我國機器人技術的快速發展。

（作者系浙江大學控制科學與工程學院、工業控制技術國家重點實驗室碩士生導師，主要研究領域為腿式機器人、柔性機械手、醫療機器人以及人工智能等。）