四足仿生机器人研究概况

（一）军事领域需求

山地、高原等极限区域的封控与值守是全天候、全地域作战的重要需求。由于运输、伴随等条件限制，一些常规作战装备上难以抵达的区域成为作战双方能力较量的关键，但在缺少高效运输工具的条件下，采用士兵背负或骡马驮负的方式为士兵带来极大的负担。

传统的车辆行走机构具有轮式和履带式两种基本形式，然而，自它们问世以来，经过近百年的努力也未能使轮式或履带式车辆在松软、陡峭地形上的性能得到根本的改进。而自然界中的四足动物（如犬、马、羊、虎、豹等）在适应复杂地形方面却擅长得多。

利用义骡作为山地、高原或战场环境下的运输补给工具也面临诸多困难，因为动物需要饲养、时而出现瘟疫和疾病，会与人类一样出现高原反应，而且遇到战争环境会出现恐慌，甚至难以驯服。因此，使用四足仿生机器人代替义骡与士兵协同作战成为一种解决山地高原作战的可行途径。

（二）民用领域

由于技术难度和开发成本的限制，目前还没有开发民用的四足仿生机器人，但随着该技术的逐渐成熟，四足仿生机器人可以代替人类完成诸如复杂地形运输、特殊环境科学考察、抢险救灾、消防救助等任务。

我国四足仿生机器人起步于“九五”期间，大约10 家研究机构开展了长期的基础理论研究，并研制出原理样机。近年来，由国家科技部 863 专家组和陆军装备部先后组织了四足仿生机器人的性能测试或比赛，综合检验了国内的研究进展。

中国北方车辆研究所（兵器地面无人平台研发中心）对山地四足仿生机器人的研究始于 2011 年，主要研发历程如下：

▷ 2011 年：山地四足仿生机器人论证并立项；

▷ 2012 年：研制出四自由度的仿生腿，并完成

了单腿的位置闭环控制及力闭环控制；

▷ 2013 年：研制出第一台完整的四足仿生机器

人样机，实现了室内平台路面的基本步态行走；

▷ 2014 年：实现室内多种步态的稳定控制；

▷ 2015 年：实现户外自然环境的行走；

▷ 2016 年：实现复杂环境的稳定行走。

（一）不翻倒、不倾斜

波士顿动力发明了虚拟腿-倒立摆-力反馈的控制理论。虚拟腿理论有效简化了控制难度，倒立摆模型用于机器人落足点稳定控制，力反馈控制可以合理地的分配四条腿的支撑力，使机器人更加稳定。但倒立摆-力反馈模型的技术难点在于足-地之间力的分配模型：

（1）传统理论往往基于重心和姿态偏移去考虑稳定性问题；

（2）力是相互作用的，足与地面发生作用，而地

面是多相离散的，难以获得精确控制模型。

1. 倒立摆-运动三要素控制

对四足仿生机器人的高度、速度以及姿态这三个运动要素的控制至关重要。其中，高度控制是控制机器人使其适应不同的负载、不同地形而保持固定的机身高度；速度控制是由摆动腿落足点位置控制机身前向速度；姿态控制是控制支撑腿受力，进而调整机身质心所受转矩，达到稳定机身姿态的目的。

2. 力反馈-足端与地面之间的柔顺控制（前页图 7）

由于中间弹性元件的缓冲，碰撞要持续一段时间，碰撞过程中的力是持续变化的；足式机器人的足端与周围环境的碰撞可以看做弹性碰撞，实现其足端与周围环境弹性碰撞过程中的碰撞力控制，便实现足端与周围环境的柔顺性控制

（二）不沉陷、不打滑

在非结构路面和粗糙地形下行走，机器与地面做功有时是摩擦、有时是破坏土壤、有时是直接碰撞，建立力学解析关系是解决稳定性控制和可通过性判断的必要条件。将挂钩牵引力、行驶阻力、接地比压、沉陷、滑转、滑移等因素均考虑在内的足端与地面作用的力学研究是必不可少的。

通过力分配模型获得了离散接地获得的牵引力最佳方式，并计算出离散接地足端与地面的作用力。同时建立了跨步行走支撑相“腿”与地面接触而挤压土壤的能量损耗模型和支撑模型，从而进一步优化四足力分配模型，并制作多种仿生足掌，用于在更多种复杂地形上行走。

2016 年 9 月，陆军装备部在塔河北方试验基地和北京坨里基地开展了“跨越险阻 2016”地面无人平台挑战赛，赛事设置了“山地仿生输送组”比赛科目。

（一）预赛（2016.09 黑龙江塔河试验基地）

预赛设置了 4 个科目，分别考核以下内容。

1. 综合越野：参赛平台在遥控或人工引导工况下，能够顺利通过沙土路、砾石路、泥泞路、草地等复杂路面。主要考察的是足式平台的路面适应性，要求足式平台在多种路面条件下具有可通过性，重点考察平台如何适应来自地面的不同力学性能：沙土路主要存在滑转、滑移的问题；砾石路主要存在松动的小石子引起支撑力快速变迁的问题；泥泞路主要存在粘连和粘滞的问题；草地主要存在打滑和附着力低的问题。

2. 负重爬坡：参赛平台装载重物后爬上长 5 米的 15°纵坡。主要考核机器人在负重情况下是否还能具有动态稳定性，同时对于动力系统、机械强度、可靠性进行考核，检验系统稳定负重行走的能力。因此，机器人面临的最大挑战，一是能够提供负重所需的动力；二是机械强度和可靠性能够达到负重要求；三是控制算法的稳定性，在加载情况下仍能够保持平衡。

3. 直道竞速：参赛平台在 50 米平直硬质路面上，以最快的速度从起点行进到达终点。主要考核机器人的最高奔跑速度，是衡量机器人动态响应能力的最重要考核项目。为了使机器人能够达到最高奔跑速度，需要解决一系列的问题：一是奔跑以后的动态稳定性能，需要极强的鲁棒控制算法；二是液压伺服系统的流量及响应频率要能够跟上快速奔跑带来的需求；三是动力系统能够耐受更大的冲击载荷，并能够提供平稳的动力冲击；四是控制算法尽可能实现机器人的柔顺控制，并与机械系统、电器系统、传感器系统等一起，实现吸能缓冲的功能。

4. 变向行进：参赛平台在指定区域里按指定路线绕间距 2.5 米的标志杆行进。重点考核机动平台的灵活机动性能。由于 2.5 米的绕桩间距，使得机器人必须要具有灵活的转向能力，在某些情况下，需要通过身体的横向移动实现绕桩动作。对于足式机器人，在稳定性算法的前提下，主要面临两个技术问题，一是如何能够基于转向半径要求，灵活地选择恰当的落足点以实现转向；二是如何在转向的过程中，腿与腿之间能够保持灵活协调，不出现打架的现象。中国北方车辆研究所的“奔跑号”四足仿生机器人获得 50 米竞速赛冠军和综合越野赛冠军。

（二）决赛（2016.10 北京坨里试验基地）

决赛的场地设在北京坨里试验基地，包括了河滩卵石路、草地斜坡和水泥斜坡的综合越野赛一决雌雄。河道上的卵石形状、尺寸极不规则，且与地面的附着力大小不一，对足式机器人的机构和控制算法都是极大的挑战。中国北方车辆研究所的“奔跑号”四足仿生机器人以平均 6km 的速度先后通过下坡、上坡、草地、泥地和鹅卵石河道，获得决赛总冠军。

通过比赛，充分检验了四足仿生机器人的性能水平，为未来研究提出了重点牵引的方向。

（一）加强地面力学理论研究

四足仿生机器人虽然顺利完成全部比赛，但对30 度松软斜坡的挑战未获成功，说明其在自然环境下行走的能力与真正的四足动物仍存在一定的差距。四足仿生机器人在松软斜坡上行走的核心是地面力学的推进-剪切作用模型，后续的研究中应重点加强四足机器人的足端与土壤推进-剪切作用模型的研究，研制满足复杂地面承载和驱动的足端机构和行走步态。

（二）加强工程可靠性研究

在比赛全过程中，参赛的四足仿生机器人普遍暴露出机构易损坏、传感器需要频繁标定，以及动力系统、驱动系统发生故障的情况，四足仿生机器人续航里程普遍不高，与实际作战应用还存在一定差距。在后续的工作中，应重点开展基于长续航里程、高效驱动的机构和控制模型的研究。

（三）面向应用开展降噪、轻量化等技术研究

以汽油发动机为动力源的机器狗具备更久的续航、更强的负重能力，但需要降噪；以电机为动力源的机器狗没有噪音，但需要提高电池续航能力。没有一款机器人可以满足人类所有的需求。噪音、负重、续航等问题也并不是判断四足仿生机器人性能恒定不变的指标。基于现有技术条件和实际，最大限度满足军事需求才是硬道理。电机动力源的机器狗适合侦察和潜入，而油机动力源的机器狗更适合伴随士兵班组搬运物资。

（四）组建国家团队，探索集智创新

针对目前国内四足仿生机器人的研究现状，建议研究机构紧密合作，组建国家团队，发挥各自的优势，突破关键技术，促进四足仿生机器人产品应用。

（CCIC 青年工作委员会供稿）

作者简介

中国北方车辆研究所信息与控制技术部主任、地面无人平台研发中心副主任、研究员，中国指挥与控制学会青年工作委员会委员和无人系统专业委员会委员，中国兵器地面无人平台领域科技带头人。主要从事星球车、地面无人平台和仿生机器人技术研究。主持地面无人平台项目 30余项，获部级以上科技进步奖 7 项、国家发明专利 22 项。