基于生物概念的四足机器人在自然地面上的自适应动态行走研究

作者及发表信息
本研究由Hiroshi Kimura（日本电气通信大学信息系统研究生院）、Yasuhiro Fukuoka（茨城大学智能系统工程系）和Avis H. Cohen（美国马里兰大学生物学与系统研究所）合作完成，发表于2007年5月的*The International Journal of Robotics Research*（卷26，第5期，页475–490），DOI: 10.1177/0278364907078089。

学术背景
研究领域属于仿生机器人学与动态行走控制。动物运动控制的生物学研究表明，行走行为主要由脊髓中的中枢模式发生器（Central Pattern Generator, CPG）和反射机制协同完成，并受大脑高级中枢调节（Grillner 1981; Cohen and Boothe 1999）。然而，此前多数机器人研究依赖于预先已知的地形结构，难以应对户外复杂环境。本研究旨在通过仿生神经控制系统，实现四足机器人（Tekken2）在未知自然地形（如斜坡、碎石、不平地面）中的高速动态行走，并验证CPG作为传感器运动协调核心的可行性。

研究流程与方法
1. 机械系统设计
- Tekken2机器人：自重4.3 kg，配备4条腿，每条腿含4个关节（髋关节俯仰/偏航、膝关节俯仰、被动踝关节），采用低减速比电机提高关节背驱性（backdrivability），踝部弹簧锁机制检测触地状态（图3）。
- 关键设计：轻量化腿部结构减少惯性，小接触面积脚趾增强地形适应性。

1. 神经控制系统构建

   • CPG模型：基于Matsuoka振荡器（1987），通过相互抑制的神经元对生成节律信号，输出相位调谐腿部运动（公式1-2）。
     
   • 虚拟弹簧-阻尼系统：通过PD控制模拟肌肉黏弹性，根据CPG相位切换关节刚度（表1）。站立相高刚度支撑身体，摆动相低刚度适应扰动。
     
   • 反射与响应机制：
     
     • 屈肌反射（Flexor Reflex）：检测踝部碰撞（θ < −5°）时屈曲膝关节，避免绊倒（图7）。
       
     • 侧向踏步反射（Sideways Stepping Reflex）：根据身体侧倾角调整髋偏航关节，稳定斜坡行走（公式7）。
       
     • 纠正踏步反射/响应（Corrective Stepping Reflex/Response）：触地失败时延长摆动相并调整关节角度（公式8-9）。
       
     • 交叉屈肌反射（Crossed Flexor Reflex）：对侧腿支撑时抬高摆动腿高度（公式10），防止地形干扰。

2. 实验验证

   • 室内实验：在台阶（7 cm高）、侧倾斜坡（4°）等场景测试反射机制有效性（图8-15）。例如，纠正踏步反射使机器人成功下台阶（图13），Wide Stability Margin（W SM）始终>0.2λ（λ为机身宽度）。
     
   • 户外实验：在含碎石、斜坡（14°俯仰/6°侧倾）的自然地面实现0.7 m/s平均速度行走（图16）。CPG通过感觉反馈自主调整步态周期（公式3），与身体滚转/腿部俯仰运动相互锁频（entrainment）。

主要结果
1. 反射机制有效性：
- 屈肌反射使机器人跨越2 cm障碍时W SM保持0.4λ–0.5λ（图8）。
- 侧向踏步反射在5°斜坡上实现直线行走，髋偏航关节调整幅度达0.2 rad（图10）。
- 交叉屈肌反射将摆动腿足尖间隙提升39 mm，避免对侧腿下沉导致的碰撞（图15）。

1. 系统鲁棒性：
   
   • CPG通过感觉反馈（如身体倾角）动态调整周期（0.2–0.4 s），满足短周期稳定性条件（条件[1]）。
     
   • 所有参数（表2）在室内外实验中保持一致，无需针对地形调整。

结论与价值
1. 科学意义：
- 证实CPG可作为传感器运动协调中枢，通过简单反射/响应网络实现复杂地形自适应。
- 提出动态行走的6项必要物理条件（如相位差维持、角动量守恒），为仿生控制提供理论框架。

1. 应用价值：
   
   • 为野外巡检、灾难救援等场景的四足机器人开发奠定技术基础。
     
   • 自包含设计（Tekken2）与低参数敏感性显示工程可行性。

研究亮点
1. 创新方法：
- 融合CPG相位调制（响应）与关节扭矩直接控制（反射），兼顾节律生成与快速适应。
- 虚拟弹簧-阻尼系统通过PD控制模拟生物肌肉黏弹性。

1. 特殊对象：

   • 针对哺乳动物四足机器人（较六足更不稳定），首次在自然地面实现高速动态行走。
     

2. 跨学科贡献：

   • 生物学概念（如脊髓反射）与工程控制理论的深度结合。
     

其他
研究局限性在于必要条件非充分性，未来需扩展反射类型（如视觉反馈）以应对更复杂地形。后续工作（Tekken3/4）已探索激光导航与更高阶适应（Kimura et al. 2005）。