王刚

我们为什么要研究有腿系统呢？除了创造能够实际运行的机器人的满足感之外，还有两个重要的原因促使我们探深入索用腿运动这一课题。

首先是为了满足可移动性这一需求，这就需要我们设计出一款能够在现有车辆无法行驶的复杂地形中行驶的车辆。车轮在准备好的路面（例如铁轨和公路）上表现优异，但在地形柔软或不平整的地方表现不佳。由于这些限制，现有的轮式和履带式车辆只能适应一部分区域，而步行的动物可以到达更大的区域。因此我们可以设计一种有腿的车辆，腿在崎岖地形中提供更好的移动性的，可以到达动物可以到达的地方。

其次是机械腿可以使用支撑和牵引力分离的立足点，而车轮需要连续的支撑路径。因此，有腿系统可以选择可到达地形中最好的立足点；轮式系统必须满足最坏的地形。拿梯子进行举例：梯级提供了支撑腿系统的立足点，但梯级之间的空间阻止了轮式系统的正常运动。

再者是有腿系统提供了主动悬架，使主体的路径与脚的路径分离。尽管地形有明显的变化，有效载荷仍可自由平稳地行进。有腿的系统也可以跨过障碍物。原则上，有腿车辆的性能在很大程度上与地面的粗糙程度无关。实用的有腿车辆的设计生产取决于工程科学的若干领域的发展，有腿的车辆将需要系统来控制关节运动，对腿的运动进行规划，监控和平衡，使用已知的立足点产生运动，感知地形并找到下一个良好的立足点，并计算可行的立足点序列。这些任务大多数尚未得到较好的理论支持。但研究正在进行中，如果这项研究成功，腿式车辆便可在复杂地形高效，快速地行驶，且不受到地面柔软程度和粗糙程度的影响。这种车辆可用于工业，农业和军事应用。

最后是为了更好地理解人类和动物的运动。慢动作电视重播向我们展示了运动员在空间中可以行走，跳跃，滑行以及以其他方式推动身体，这些动作具有多样性和复杂性，但是我们依然能保持方向，平衡和速度，但是这种表现不仅限于职业运动员。从机械、感知、运动控制、数据计算的角度来看，人类的各种运动的协调性是多么不可思议。动物在运动中也表现出出色的协调性和灵活性。它们可以利用腿快速安全穿过森林和沼泽。尽管我们可以很好使用自己的腿技能，但是对于运动，我们仍然处于理解控制原理的原始阶段，这些原理是行走和跑步的基础。那么动物使靠什么控制机制完成这么复杂的运动的呢？机器人又将如何向这种高级的控制机制迈进呢？

从静态来说，首先得了解机器人的姿势问题。控制系统中一个重要的部分：确定合适的身体俯仰角以保持身体直立。假设我们把机器人分为上身，大腿，小腿三部分，那么我们以膝关节和髋关节为轴，两处各设置一个动力系统，将控制分区为这三个部分使得运行更容易理解，简化出一个相对简单的控制系统。如果脚和地面之间有良好的牵引力，则围绕髋部在身体和腿之间施加的扭矩使上身绕其俯仰轴线加速，在支撑期间，由于腿支撑身体的负荷，因此存在牵引力。同样大小腿之间以膝关节为轴，也可存在类似性质的力，通过两个关节的完美配合，以使身体恢复到直立姿势。为执行控制任务的每个部分而实现的算法本身不难，各个控制算法的细节并不那么重要，因为分解提供了单独系统框架。但是小腿相对于大腿、大腿相对于身体的运动控制系统的每个部分都表现得好像它只影响了行为的一个组成部分，但是其实是存在不完美的耦合的相互作用的。

从动态来说，跳跃是重要的腿式系统运动形式之一，腿式系统必须在三维空间中自我平衡。我们认识到动物运动主要是平面的动作，尽管动物是三维系统。我们从在跑步机上跳跃的袋鼠首先认识到这一点。

腿式系统的跳跃模型主要可以分为三种如图1所示：垂直弹跳，双腿垂直于地面，身体平行于地面，利用双腿的伸缩完成弹跳动作；异步位移性弹跳：当两只脚都在地上时，有一个跷跷板摇摆模式，其中腿保持垂直，但是一个变短，而另一个变长。在这种模式下，身体像跷跷板一样摇晃。上腿交替做伸缩动作完成跳跃动作；同步位移性弹跳，这种模式有一个摆动运动，系统类似倒立摆。在这个模式中，身体保持水平，而腿绕着脚转动，双腿同步向前弹跳。

行走也是重要的腿式系统运动形式之一，对于像人类一样运行的两足动物，具有交替的支持期和完全离开地面时期，。由于腿部交替使用，一次只有一条腿活动，另一条腿放在地上并转移重心，一条腿可以在身体上施加扭矩。假设一条腿的行为不会被另一条腿干扰，跳跃，前进行走和姿势的单腿算法就会显得简单，但是实际上两条腿之间依然存在耦合问题，所有研究机器人行走问题时，除了步态规划之外还有解耦这一难题。

腿式系统机器人在运输行业以及医疗卫生方面作为人工助理的潜力不言而喻。传统的运输机器人多为轮式，其对路面要求过高，坑洼不平地带，以及路面小的障碍物，都会去其造成损坏，这自然增加了公司维修的成本以及路面养护的成本。而腿式机器人对路面要求低，灵活性强，机动性高，更適合作为运输机器人来使用。在医疗方面，腿式机器人可以代替轮椅以及假肢的作用，实现日常行走，上下楼，下蹲起来等日常功能，并保持其平衡。在私人助理方面，腿式机器人可以同时满足不同场景，不同身高的人群使用，稳定性强，平衡性可靠。

（作者单位：江苏省镇江市学府路301江苏大学）