仿生四足机器人设计与实现研究

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第一章 引 言
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第一章 引 言
§1.1 机器人技术简述
机器人作为 20 世纪人类最伟大发明之一，自六十年代问世以来，已经取得实
质性的进步和成果。在传统生产制造领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期
后，成为了制造业中不可或缺的核心自动化装备[1]，现在约有百万台工业机器人活
跃在各个生产现场。在非传统制造领域，特种机器人由于其独特特征，近年来发
展十分迅速，服务机器人、水下机器人、医疗机器人、娱乐机器人纷纷问世，并
且正在向实用性迈进。机器人系统和技术集机械、精密机械、计算机技术、自动
控制技术、传感器技术、人工智能等技术之大成，是典型的机电一体化技术。机
器人的发展代表着国家综合实力和水平。目前，许多先进工业发达国家将机器人
技术列为本国的高新技术发展纲要，足以看出大力发展机器人的重要性。机器人
近年来发展呈现两种趋势：在横向上，应用领域不断由传统制造领域向人类工作
生活等社会方向延伸，种类逐渐增多。另一方面是纵向上，随着智能化及虚拟现
实技术等不断的完善，机器人需要范围不断地扩展，应用扩大，遍布于工业、科
技、国防等各部门，大部分机器人水平将提高到更智能的水平[2]。
§1.1.1 各国机器人定义
要给机器人下个为人们所广为接受的定义是困难的，因为各国对机器人工作
的关注点不同，故而世界上对机器人还没有统一的定义。各国为了发展技术和提
升国家实力大力开发新的工作性能机器人，但是比较不同国家的机器人成果发现，
需要对机器人这一概念进行某些共同的规范[3]：
（1）英国牛津词典里规定机器人定义如下：貌似人的自动机，具有智能和顺
从于人但不具有人的性格的机器。这定义并不完全正确，因为还不存在与人类相
似的机器人，这是一种理想化的定义。
（2）美国机器人协会（RIA）对机器人的定义：一种用于移动材料、零件、
并组装成品的，通过可编程序来执行种种任务需要的动作，并具有编程记忆能力
的机械手（Manipulator）。
（3）日本工业机器人协会（JIRA）对机器人的定义：一种装有记忆装置和末
端执行器（End Essector）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动
的通用机器。
（4）美国国家标准局（NBS）对机器人的定义：一种能够进行编程并在自动
控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。
（5）国际标准化组织（JSO）对机器人的定义：机器人是一种自动的，位置
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可控的，具有编程能力的多功能机械手，这种机械手有多个轴，能够借助于可编
程操作来处理各种材料、零件、工具和装置以执行种种任务。
（6）依据机器人专家蒋新松院士提议，中国对其的定义是：一种拟人功能的
机械电子装置。（A Mechantronic Dvice to Imitate Some Hunman Functions）
总结以上各国对机械人的描述，可以归结机器人特征大致有以下三方面：
（1）像人或人的上肢，能模拟人的动作。
（2）具有智能控制。
（3）机械或电子装置。
§1.1.2 机器人的发展历史
长期以来，人类一直渴望并追求一种像人一样的机器把人类从繁重的工作中
解救出来，代替人类不知疲倦的工作。
1920 年，捷克剧作家卡雷尔.佩克（Karel Capak）在他的讽刺剧《罗姆莎的万
能机器人》中第一次提出了机器人一词。他在剧中描述一个名叫 RUR 的机器人，
它是人类为了从劳动中解放出来而设计的永不停止劳作的忠实奴仆。
1954 年，美国人乔治.德沃尔（Goedge.C.D）研制出来世界上第一台电子可编
程的工业机器人——可编程关节传送装置，它第一次使用了示教再现控制方式。
1960 年，美国 Unimation 公司根据 Devol 的转移技术研制出来了第一台工业
机器人样机并定型生产 Unimate 工业机器人，它的设计将数控机床的重放特性与
Roymand Goetz 研制的遥控机械手的伺服控制能力结合起来。美国通用汽车公司
并于 1962 年将 Unimate 型机器人安装在压铸件装配线上显著的提高了装配效率。
1967 年，日本川崎重工从美国购买了工业机器人的生产许可，开始了对机器
人的研制和探讨。
1968 年，美国斯坦福（SRZ）研制成功了移动式智能机器人。
进入 20 世纪 70 年代之后，工业机器人商用的程度大大的提高，并逐渐的在
工业生产中推广使用，由于计算机技术、自动控制技术、人工智能的发展，机器
人的水平和规模都迈上了新的台阶。
1973 年，夏凯（Hakey）辛辛那提.米克拉龙公司在市场上投放了 T3 型机器人。
1979 年，Unimation 公司推出的 PUMA 系列工业机器人是一种多协调控制的
先进机器人，同年日本山梨大学成功的研制出了 SCARA 平面型关节机器人并在装
配作业中得到应用。
1980 年开始，美国、日本等国迅速的普及工业机器人，国际上将此年称为“机
器人元年”。
2002 年，日本索尼公司发布的 AIBAO（爱宝）娱乐式四足机器人。“AIBAO”
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之所以受欢迎，不仅在于它有漂亮的外观，而且与真狗十分相近。爱宝可以根据
不同的环境变化有 6种不同的情感状态和 4个不同的本能，更为惊奇的是“AIBAO”
也像幼童一样有学习期、成长期和成熟期，它可以根据看到周围的环境自动组织
两种语言来表演，每条腿有 2个自由度，能实现卧倒打滚小跑蹲下等动作，脚掌
安装有微光螺旋仪来感知地面的变化。
2008 年，美国波士顿动力研究所研制的 Bigdog，Bigdog 是一个能走能跳能跑
能在恶劣的地形上攀爬的四足机器人，它以汽油发动机为驱动系统，腿关节类似
动物的腿部结构并装载有吸收震动和能量循环的装置，并有内置的计算机系统控
制它的活动行为，安装多种传感器来保持机器的平衡和导航系统正常工作，且能
在斜度 35 度的坡上行走并能负重 340 磅。
机构学，自控理论，计算机技术的快速发展带动了机器人的全面发展，传统
的机器人由欠自由度操作臂发展到冗余度操作臂、行走机器人、拟人机器人、多
机器人系统等多种形式。生产技术从大批量生产自动化向小批量多品种生产自动
化的转变。由于工业机器人能大大的提高生产的柔性而广泛渗透到各行业，逐渐
形成了工业机器人产业。生产的效率和产品的合格率都得到了很大的改进。同时，
少数工业化国家开展了具有视觉、嗅觉、触觉、多臂、避障等特殊条件下的各种
机器人的研究。可见机器人作为 21 世纪机械电子、信息控制技术的集中体现和各
学科的交叉代表，不仅被广泛的应用在先进国家的各种传统工作操作作业中（如：
工件抓取、电子元件装配、汽车喷漆焊接等）发挥着无可替代的作用，而且逐渐
的向航空航天工程、生命科学工程和先进制造工程等高科技领域以及社会服务业
发展，这将会对社会的进步，科学探索和高速发展产生深远的影响。
§1.1.3 四足机器人演化与发展
地面移动式机器人是最早研究应用最为广泛的一类特种机器人。主要的机构
有：车轮式、履带式和腿足式(步行机器人)[4]。这些机器人采用自主和半自主，遥
控等方式工作在人类无法进入或者是对人体有害的场合中，如核装置的维护和修
理、消防、排爆、军方侦查等任务。轮式地面移动式机器人主要是平坦坚硬路面
上的有效地工作工具，对于因路面不平而引起的冲击和震荡（不平度小于车轮半
径），可通过车轮充气或者其他弹簧阻尼系统来隔震，使车体的摆动减弱，而在不
平度大多与车轮半径的路面上行驶时轮式机器人的耗能大为增加，在严重崎岖不
平或地质松软的地面时，车轮甚至会失效。为了克服这一缺陷，履带式机器人适
合在未加工的路面上工作，它是轮式机器人的扩展。履带本身起着给车轮铺路的
作用。履带由于可以产生较大的推进力而不像轮子那样容易的陷入地面，在军事
上和建筑工程上都得到了广泛的应用。但是履带式机器人运动方式在不平地面上
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的机动性能仍不尽人意。特别是转向时和万一陷入地面时能耗增大，同时车体严
重摆动。多足步行机器人是模仿多足的动物运动形式而设计的仿生机器人，是一
种足式移动机构。据调查，地球上近一半的地面不能为传统的轮式和履带式车辆
所到达。但很多足式动物可在这些地面上行走自如，所以步行机器人的运动方式
具有较好的机动性，即具有较好的对不平地面的适应能力。这一运动方式的立足
点是离散的，可在所达到的地面选择最优支撑点，还可以通过松软的地面或跨过
较大的障碍。多足步行机器人运动系统可以实现主动隔震，即允许机身运动轨迹
与足运动轨迹解耦。尽管地面高低不平，机身仍可以坐到相当平稳。步行机器人
在不平地面和松软的地面上上的运动速度较高，而且耗能较少。多足机器人在战
地侦查，防灾救险，星球探测领域将会有广阔的前景。
20 世纪 60 年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机
器人控制技术的研究和应用，到了 20 世纪 80 年代，现代四足步行机器人的研制
工作进入了广泛开展的阶段。世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由 Frank
和McGhee 于1977 年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，
该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，
只能呈现固定的运动形式[5]。20 世纪 80、90 年代最具代表性的四足步行机器人是
日本 Shigeo Hirose 实验室研制的 TITAN 系列。1981～1984 年Hirose 教授研制成
功脚部装有传感和信号处理系统的 TITAN—III[6]。如图 1-1，它的脚底部由形状记
忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传
感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行。TITAN—VI[7]机器
人采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变
速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。
图1-1 TITAN—VI 机器人
目前最具代表的四足步行机器人是美国 Boston Dynamics 实验室研制的 Big
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Dog[8]，如图 1-2 所示。它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达 52KG
的重量，爬升斜坡可达 35 度。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和
能量循环部件。同时，腿部有很多传感器，由伺服电机来控制机器人的运动。该
机器人的机动性和反应能力都很强，平衡能力极好。但由于汽油发电机需携带油
箱，故受环境影响很大，可靠性很差。另外，当机器人运动时引擎会发出奇怪的
噪声。
图1-2 BigDog 机器人
国内四足机器人的研制工作从 20 世纪 80 年代起开始，上海交通大学的
JTUWM 系列、清华大学的 Biosbot 系列、华中科技大学的“4+2”系列、哈尔滨
工业大学系列等高等院校及研究所都取得较大的成果[9]。
由此可见，美国和日本的机构最具有代表性，其国家机器人水平已经较为先
进，实用化程度已经相当的普及，国内四足机器人的研究比较晚，虽然足式机器
人的研究平台很多并取得了一定的成果，但是制约四足机器人技术进一步发展的
基础理论并没有根本解决，其中许多样机还达不到生物简单运动的速度和稳定性。
足式机器人的关键技术还有待大力探讨。
§1.2 虚拟样机技术简述及发展
随着全球经济的一体化，工程产品市场的竞争日益激烈。为了提高市场竞争
力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成
本。传统的物理样机设计流程在产品研发中已经越来越满足不了多变的、持续发
展的市场的要求，正是在这种需求下，以虚拟样机技术为代表的计算机技术不断
发展，使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。运用虚拟样机的
方法，可以在产品设计初期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样
机参数，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能[10]。
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虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technoiogy 简称 VPT）是一门综合多学科
的技术，它是在制造第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立产品系统
的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工作条件下的各种
特性，从而修改并得到最优化的设计方案的技术。如图 1-3 所示[9]。
虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机
械产品设计理念。一方面与传统的仿真分析相比，传统的仿真一般是针对单个子
系统的仿真，而虚拟样机技术则是强调整体的优化，它通过虚拟整机与虚拟环境
的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得
最优的整机性能。另一方面，传统的产品设计方法是一个串行的过程，各子系统
（如：整机结构、液压系统、控制系统等）的设计都是独立的，忽略了各子系统
之间的动态交互与协同求解，因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现，
造成严重浪费。运用虚拟样机技术可以快速地建立包括控制系统、液压系统、气
动系统在内的多体动力学虚拟样机，实现产品的并行设计，可在产品设计初期及
时发现问题、解决问题，把系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。
图1-3 虚拟样机的开发过程
虚拟样机技术具有以下特点[10]：
1强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能以及特定环境下的行为。
2可以辅助物理样机进行设计验证和测试。
3可以在相同的时间内实验更多的方案，从而易于掌握最优设计方案。
4用于产品开发的全生命周期，随着时间的推进而不断得到完善。
5与常规的仿真相比，其涉及的领域广，考虑周全。
6支持全方位的测试分析评估。支持不同领域的人员对同一产品进行评估。
7减少开发时间，减少设计费用。
作为一项先进制造技术，虚拟样机技术还处于不断发展阶段，虚拟样机技术
在国外的汽车制造、航空航天、铁路机车、通讯、工程机械等诸多领域已经获得
摘要：

第一章引言1第一章引言§1.1机器人技术简述机器人作为20世纪人类最伟大发明之一，自六十年代问世以来，已经取得实质性的进步和成果。在传统生产制造领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期后，成为了制造业中不可或缺的核心自动化装备[1]，现在约有百万台工业机器人活跃在各个生产现场。在非传统制造领域，特种机器人由于其独特特征，近年来发展十分迅速，服务机器人、水下机器人、医疗机器人、娱乐机器人纷纷问世，并且正在向实用性迈进。机器人系统和技术集机械、精密机械、计算机技术、自动控制技术、传感器技术、人工智能等技术之大成，是典型的机电一体化技术。机器人的发展代表着国家综合实力和水平。目前，许多先进工业发达国家...

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