四足机器人的应用

随着社会的进步和科技的发展，机器人的应用领域逐渐扩大，而人们对机器人的功能需求也越来越高。对于机器人来说，可以分为移动机器人和非移动机器人。移动机器人又可以分为轮式机器人、履带式机器人和足式机器人[1]。以往的研究表明，轮式车辆在相对平坦的地形上行驶时，具有控制简单、运动平稳快速的特点[2]，但在松软地面或崎岖不平的地形上行驶时，车轮的移动效率大大降低甚至无法移动，而足式机器人可以在非结构化和恶劣的环境中工作[3]。一般来说，四足机器人的驱动方式主要分为三类：液压执行机构、气动执行机构和电动执行机构[4]。电动执行器控制精度高，但可承担的负载较小；气动执行机构由于其非线性特性而难以控制；液压执行器由于其动力强劲得到了广泛的应用。由于四足机器人可以适应复杂的环境，因此四足机器人的应用场景广泛，但目前四足机器人发展还不够完善，大多数四足机器人还停留在实验室研究和演示阶段，因此四足机器人的应用都是潜在的，本文列出了以下几种：

第一种为野外环境下的运输工具。在野外环境下，现有的人造陆地运输工具都难以应用，大多需要人力和畜力等传统运输方式。而四足机器人能够在复杂的野外环境下灵活运动，并可以承担大量负载，因此四足机器人可以作为一种潜在的运输工具帮助人类完成野外的运输任务。

第二种为危险环境下的侦查工具[5]。在危险的环境中，如地震灾区和战场，存在很多需要探索但人力难以到达的区域。四足动物有着比人类更强大的运动能力，所以四足机器人有着潜在的帮助人类探索复杂危险的未知环境的能力。针对不同的任务机器人可以搭载不同的传感器，在灾区救援中四足机器人可以帮助人类发现幸存人员；在战场上四足机器人可以帮助士兵完成预探索任务，减少人员伤亡。

第三种为服务型四足机器人。四足机器人可以完成四足动物(如猫、狗等)的行为，如导盲和作为宠物等，却省去了吃饭睡觉等普通动物必不可少的行为，并且无需长时间的人为训练。因此四足机器人可以作为潜在的服务型机器人，相比于普通的四足动物有着方便、洁净等优势。

四足机器人的发展也伴随着一些新思路。例如将机器人模块化使得机器人具有可重构性[6]，可变形态的轮足复合式机器人[7]，将机器人整个身体变形为一个球体实现滚动等[8]。

1、四足机器人发展及研究现状

自20世纪90年代起，由于电子计算机技术和仿生学技术的飞速发展，四足机器人也进入了高速发展阶段[9]。涌现了一批可以通过控制算法实现各种运动步态并能够完成简单任务的四足机器人。由Kimura等建造的Tekken IV，使用中央模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)来控制腿的运动，并可以用多种步态行走。2007年，尚昆湾大学研制出了AIDIN I四足机器人，能够爬过斜坡，避免了机器人的翻滚和滑倒。在2013年他们还研制了AIDIN III四足机器人，速度可达0.35m/s，可以用小跑的步态爬上20°的斜坡，且载荷可达3kg。

随着四足机器人的发展和近年来人工智能的兴起，使得机器人拥有自主性和智能性已经成为四足机器人研究的重要组成部分，四足机器人逐渐拥有了感知环境、自主规划和与环境交互的能力，研究者也更多地着眼于提高机器人的自主适应性和功能性。以波士顿动力公司最具代表性的产品Big Dog为例，Big Dog拥有强大的负载能力，设计初衷是在战场上帮助士兵运送物资。Big Dog长度约为1.1m，质量为20kg，是世界上第一款真正实现了野外行走的机器人，其强大的环境适应能力使得该机器人可以在山地和雪地自如行走。更为值得一提的是Big Dog的平衡能力，在冰面上受到巨大的侧向冲击时，机器人可以凭借卓越的平衡能力最终实现稳定站立。Big Dog可以以4km/h的速度连续运行10km。

波士顿动力公司又陆续推出了几代产品，2012年发布的Cheetah猎豹仿生四足机器人是目前室内奔跑速度最快的机器人，在跑步机上可以达到45km/h的速度。2013年推出的WildC