随着我国科技技术的发展，对机器人研究的领域也更加宽泛，足机器人作为机器人研究的又一重大发明，与传统机器人相比，足式机器人对环境的适应能力以及任务执行能力更强，能够在崎岖的地面上自如行走，并能准确的躲避障碍物，能够很好的模仿人类的行为举止以及人脑的智慧，这也使得足式机器人有着较高的灵活性以及鲁棒性运动控制水平。当下，足式机器人运动控制所涉及的运动学、动力学以及反馈学等有关研究还继续进一步深入。
1 国内外四足机器人发展现状
四足机器人的研究始于20世纪60年代，当时的一名美国研究人员Mosher设计出的步行车由此打开了智能研究的大门，直到80年代，随着计算机技术以及人工智能技术的高速发展，这在一定程度上也带动了足式机器人研究的发。
日本大学一个著名研究室---福田机器人研究室，始终致力于对四足机器人领域的研究。在1976年的时候，KUMO足式机器人的研制成功，标志着世界范围内对足式机器人的研究大门正是打开，KUMO的外形像一只巨型的蜘蛛，但它只有四条腿，随后世界上第一只可以自主爬行的机器人也被研制出来，之后的几年内多款足式机器人也相继被研制出来，其中具有代表性的是TITAN系列的机器人和TITAN-VIII（图1-1）机器人，他们的各种硬件功能设施较为完备，步态可以进行选择，在研究领域中被广泛的进行应用。
图1.1 TITAN-VIII 图1.2 BigDog
此后的各个国家在四足机器人领域研究中都得到了较好的发展，美国的一个著名的实验室MIT Leg Lab在1986年的时候研制出一款四足机器人，目前具有代表性的还要属卡内基梅隆大学所研制出一实验室所研制出的BigDog（图1-2以及LittleDog。（图1-3）二者被喻为是最像仿生对象的四足机器人，形状像一只巨型犬，可以负重在一些粗糙崎岖的地面上进行自如的行走，并可以切换不同的步态，适合用于野外行走。它们哟组合超高的机动性、平衡性即便受到剧烈的冲击，还依然能稳稳的向前行驶，现已被列入美军部队研究中来，有望在各项能力上达到一个更高的水平。
图1-3 LittleDog 图1-4 JTUWM
而后的德国、法国、韩国等都纷纷加入到四足机器人的研究行业中来，当然我国也不列外，我国的吉林工业大学自20世纪70年代就开始对四足机器人展开研究，以陈炳聪和庄继德为首的并成立两个研究小分队。在1985年到1991年的时候，我国已经研制出多个四足机器人，其中最具代表性的要属上海交通大学马培荪所研制出的JTUWM（图1-4 ）系列的四足机器人，它的形状像一匹马，每条腿有3个自由度，脚底装有PVDF测力传感器，通过人工神经网络以及模糊算法相结合，通过力矩和位置进行混合的控制，进而能够实现小跑的行走方式。此后的清华大学以及哈尔滨工业大学等都在四足机器人领域得到一定的研究成果，且灵活性以及地面的适应能留也在不断增强。
2 四足机器人关键技术
在对四足机器人进行研究的过程中，其步态生成及稳定性作为对其研究的关键技术，步态的生成模式离不开强大的理论作支撑，如果步态的稳定性得不到满足，那将无法实现对机器人进行控制，其稳定性若离开了步态，那就没有任何的现实意义，每种步态的稳定性都不相同，在当下对四足机器人模型研究的过程中，其腿部自由度多超过三个自由度，全身自由度较为灵活，而本文多研究的四足机器人其灵活程度较低，腿部机构控制也很简单，但对其稳定性方面的研究却较为复杂，因此，稳定性应作为态生成的重点研究。
2.1步态的划分
针对机器人行走时的机体重心与支撑点投影区域关系的判定，可将步态分为两类：静态步态和动态步态。静态步态指的是机器人在运动的过程中一直符合静力学条件；动态步态指的是机器人在运行的过程中，其机体重时常会投影在支撑足所围成的多边形外，造成机器人步伐不稳，会出现前倾或后仰的态势，这多为传统四足机器人的研究。但现阶段，已经形成了一种较为成熟的理论体系，即便遇到一些复杂的地理环境，使四足机器都能很好的进行适应，且行进步态更加高效。
2.2动态步态稳定性分析
采用动态步态可以促进机器人的运行效率，具有一定的优越性。在所有的动态步态中，对角小跑 （Tort) 步态属于一种较为经典步态，在控制四足机器人的步态中，Tort步态经常被作为试验对象进行研究。
图2 Tort 步态换腿瞬间重心相对位置变化适宜图
由于机器人处于支撑相的腿每时每刻都不超过两个，因此Tort步态下的机器人在前进的时会形成一个倾覆力矩。如图2所示，当t＜T/2时，机器人由静止状态转为换腿动作，机体中心从位于支撑对角线前侧向后侧进行移动。因此，为使机体能够平行前进，必须让机器人的重心位于当前支撑相的两腿投影连线之前，使机体处于一种倾斜的状态；并且计算当前悬空相两腿的足端轨迹，找到适合的落脚点，以使倾覆力矩所产生的势能尽可能多的转化为机器人向前行走所需要的动能。为克服重力产生的倾覆力矩，处于支撑相的双腿在离地的瞬间其速度应当足够大，使机器人产生一定的动能，可以很好的避免机器人的倾斜现象，来
3四足机器人发展趋势
随着世界范围内足式机器人研究日益深入，其各项性能也在不断的提升，不论是行走的速度、行走的稳定性都对地面有着较强的适应性，且灵活度已经达到一个较高的水平，今后将不断朝着智能化以及自主化的方向发展，因此，未来四足机器人的发展可以从以下几方面进行研究：
3.1实现腿机构的高能量效率
众所周知，动物的腿部有着非常高的灵敏性，且腿部是其身体发育健全的储能部位，能够合理的解决稳定行走以及能量利用率的问题。通常情况下，四足机器人的腿部都是通过刚性连接，对能量无法储存，并且经常与底部接触会使其能耗大大降低。因此，今后对四足机器人的设计应多方到其腿部中来，使其腿部机构具有缓冲储能的性质。
3.2轮足结合
所谓轮足指的是轮式机器人和足式机器人的结合，他们二者有着非常强的优势，不仅能够很好的对地面进行适应，还可以使原有的步率得到极大的提升，这也将会是今后四足机器人研究的重要内容，
3.3微型化
微型机器人的应用前景较好，对于一些环境空间狭小的探测工作有着重要的意义，这也将会是今后勘测工作的重要方向。
4结语
综上所述，四足机器人在步态生成以及控制方面已经成为研究的重要内容，但当下，世界范围内对四足机机器人的研究还存在一定的缺陷，如单腿自由度冗余，和控制难度大等，使得对四足机器人研究人员的要求也变得更加严苛，因此，在今后的发展中，我们应寻找一个机构更加合理且端部运动轨迹更类似动物足端轨迹的单腿连杆机构，用来取代原有控制模式复杂的多自由度腿部结构，这也是今后研究的重点。
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论文作者:高胜杰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
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