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仿生四足机器人的研究：回顾与展望

摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性

和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有

里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技

术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简

要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最

后是总结和展望未来的四足机器人。

一、导言

代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关

注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三

种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用

轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸

不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式

和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的

动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高

度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿

式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技

术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学[1，2]。

基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的

机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可

以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度

和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重

要发展方向。

现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率

步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人[3]。在腿式机器人中，四足机器人具
有良好的机动性和运动稳定性，而典型的双足机器人，缺乏运动的稳定性。从系

统和控制器的设计上来看，四足机器人也是一个不错的选择。另一方面，四足机

器人在构建和维护上又比六足要简单。四足机器人比轮式或履带式机器人更加灵

活，并比双足机器人稳定。因此，许多研究人员和组织在生物动态步态的启发下

致力于四足机器人的研究，以使机器人具有高平衡能力和高负载能力。在一般情

况下，为了提高运动稳定性，增加步行速度和运输能力，就需要具有大带宽和高

输出功率的液压执行机构。机器人控制系统，即用来控制四足机器人动作，步态

生成和转换，应在在未来得到研究和解决。

本文组织如下：在第二部分回顾了四足仿生机器人的历史和驱动模式的发展

趋势。第三部分介绍了四足机器人的发展趋势。然后，在第四部分分析了四足机

器人的技术难点。第五部分介绍了中国山东大学正在开发的液压四足机器人。最

后一部分是总结和展望未来的四足机器人。

二、四足仿生机器人的历史

本节回顾具有联合执行机构的四足仿生机器人的历史。我们首先关注基于仿

生学的四足机器人的发展现状。然后回顾了四足机器人的驱动模式的发展趋势，

特别详细介绍了液压驱动，这样一个提高了动力性能和负载能力的新型驱动模式。

A.四足仿生机器人的历史

四足机器人的调查始于20世纪60年代，而四足机器人的动态运动性能的

研究则是从20世纪80年代开始的。MarcRaibert和他的同事们在一、二四条腿

的机器人腿部运动方面取得了巨大的成功。

20世纪60年代初，许多国外的科学家和研究人员致力于研究条腿式机器人。

在1960年，Shigley提出采用联动机构，包括四杆机构、凸轮机构、缩放机构，作为

腿式机器人的运动机构。腿部的运动由一组双摇杆机构控制[4]。McGhee和Frank于

1966年制作了被称为“PhoneyPony”的四足机器。这是第一辆腿式的运载工具，在全

电脑控制下自主行走。每条腿有两个自由度（DOFs）系统，并能进行简单的爬行运

动，以及取决于选定状态图的对角线小跑。PhoneyPony具有十分重要的意义，因为
它激发了McGhee去建立新的在步行机器人的历史上也起到重要作用的机器：OSU

hexapod和AdaptiveSuspensionVehicle（ASV）[5]。

在80年代初，美国麻省理工学院（MIT）的MarcRaibert，H.Miura，我以

及日本东京大学的Shimoyama首次对步行机器人进行了系统的研究。Marc

Raibert建立平面以及立体的独腿跳跃机器人。在Raibert关于跳跃机器人的三

个控制原理的基础上，两足和四足可以跑可以跳的机器人随后也制造出来。这

是四足机器人动态步态运动控制的一个里程碑[6]。在