类人形机器人腿的构造与设计：腿的自由度提高了机器人的机动性

因为腿式机器人的发明是受到生物学上的启发，所以检验一下生物学上成功的 有腿系统是有益的。许多不同的腿的构造已经在各种各样的生物体中成功地存在 (图2.6)。大型动物，如哺乳动物和爬行动物有4条腿，而昆虫有6条腿或更多。某 些哺乳动物，仅靠2条腿行走的能力已经很出色。尤其是人类，平衡能力已经进展到 甚至可用单腿进行跳跃的水平①。这种异常的机动性是以很高代价得来的：为保持平 衡而使用更复杂的主动控制 。

相反，3条腿的动物假定它能保证其重心处在地面接触的三脚区内，它就能够展 示静止、稳定的姿态。如3条腿的凳子所展现那样，静止稳定性意味着不需要运动而 保持平衡。在没有倾覆力时，稍微偏离稳定(比如轻轻推凳子)会被动地予以校正而 趋向稳定的姿态。 但是为了行走，机器人需要能够抬腿。为了能达到静态行走，机器人至少要有4 条腿，一次移动一个。而对于6条腿的情况，就有可能设计出一种步态，按此，腿的静 态稳定三脚区总是与地面接触(图2.9)。

昆虫和蜘蛛一出生立即能行走。对它们来说，行走时的平衡问题比较简单。哺 乳动物有4条腿，能够静态行走，然而由于重心高，会比爬行动物行走稳定性要差。 例如，幼鹿在它们能行走之前要花几分钟来尝试站走来，然后又要花好几分钟学习行 走而不摔倒。人类有两条腿，由于他们脚大，也可以静态地稳定站立。幼儿需要几个 月才能站立和行走，甚至需要更长时间来学习跳跃、跑步和单腿站立。

在各单腿的复杂性中，也存在种类繁多的潜力。再者，生物世界提供了丰富的处 于两个极端的例子。例如，毛虫利用液压，通过构建体腔和增加压力使各腿伸展，而 且通过释放液压使各腿纵向地回收，然后刺激单个可拉伸的肌肉，牵引腿靠向身体。 各条腿只有1个自由度，它沿着腿纵向地定方向。前向运动依赖于体内的液压，它能 伸张两腿间的距离。所以，毛虫的腿在机械上来看很简单，即利用Z少数目的外表肌 肉，完成了复杂的整体运动。

在另一极端，连同脚趾的深层刺激，人腿有7个以上的主自由度，15个以上的肌 肉群，激励8个复杂的关节。

在腿式移动机器人情况下，通常要求至少2个自由度，通过提起腿和将腿摆动向 前，使腿向前运动。更普通的是对更复杂的移动，如图2.6所示，附加了第3个自由 度。在创造两足行走机器人中，Z新产品已在踝关节处增加了第4个自由度。通过 刺激脚底板的姿态，足踝能使机器人移动地面接触的合成力向量。

总之，增加机器人腿的自由度提高了机器人的机动性，既扩大了机器人能行走的 地形范围，又增强了机器人以各种步态行走的能力。当然，附加关节和激励器的主要缺点是带来动力、控制和质量方面的问题。附加的激励器需要能量和控制，它们也把 质量加到腿上，从而进一步增加了对现有激励器的功率和负载的要求。

对于多腿移动机器人，存在运动时腿的协调或步态控制问题。可能的步态数目 依赖于腿的数目[52]。对单条腿而言，步态是抬起与放下事件的序列。对一个有 k 条 腿的移动机器人，步行机器可能事件的总数N 为

N=(2k-1)! (2.1)

对于2条腿的步行器，k=2 腿，可能事件的总数N 为

N=(2k—1)!=3!=3·2·1=6 (2.2)

6个不同事件序列如下(它们也可以被组合成更为复杂的序列):

1.2腿下—右下/左上—2腿下；

2.2腿下—右腿上/左腿下—2腿下；

3.2腿下—2腿上—2腿下；

4. 右腿下/左腿上 — 右腿上/左腿下一右腿下/左腿上；

5. 右腿下/左腿上 — 2腿上 — 右腿下/左腿上；

6. 右腿上/左腿下 — 2腿上一右腿上/左腿下。