2.11 展 望

综合分析国内外腿式机器人的研究现状，可以看出仿生双足和四足腿式机器人已经取得了丰硕的成果，但是仍然存在许多有待解决的问题。

(1)腿式机器人步行能量流的表征与优化配置。从能量流的角度来看，腿式机器人移动性能是机器人与地面交互过程中，系统的输入能量在机器人各驱动环节中分别发挥效用的结果，充分认知步行过程中机器人能量的流动去向和能量传递、耗散、回收机制，是实现能量在各个驱动环节的合理配置的前提；同时，对能量流在驱动关节中的优化分配与动态控制是实现高效能行走的有效途径。因此，如何表征腿式机器人运动过程中能量流，以及如何构造能量流的优化配置方法是系统性研究机器人能效的一个关键科学问题。

(2) 机械腿足与地面接触交互过程建模与主动控制方法。从动力学的角度来看，腿式运动的各项性能通过肢体与地面的接触交互作用中，通过地面的反作用力来获得，不同腿型、足型在基础交互过程中展现出的复杂动力学特性，与机器人步行能耗有着直接的关联。对交互中的碰撞、恢复、过渡、弹跳等力学现象和能量转化过程定量化描述，是实现接触过程主动可控的前提；同时，构建快速稳定行走过程的腿足 - 地面主动式控制方法，是控制并降低接触能耗的有效途径。因此，如何对接触交互建模，与如何构建交互过程主动控制方法，是腿式机器人能效研究中的又一重要问题。

(3) 肢体与关节高能效协调运动的运动学、动力学建模方法。腿式动物通过天然的多肢体、多关节运动协调能力来降低移动过程中的能量消耗，但是，对其中内在规律的解释仍然是一个亟需解决的科学问题。与之对应的腿式机器人，更是缺乏通过运动协调来降低能耗的有效手段。协调性包括多肢体间协调运动配合、肢体内部关节间运动协调配合，以及机器人与环境接触过程中的全身性运动协调配合，对这样的复杂问题需要有效的工具来研究其中的运动学和动力学规律。因此，在保证机器人快速稳定行走的前提下，对以提高能效为目标的肢体与关节协调运动进行科学分析，研究如何构建表征的协调运动的运动学和动力学模型的方法，是机器人高能效运动研究中的一个关键问题。

(4) 高能效步行过程中运动关节刚柔特性变化规律的表征与控制方法。仿生学研究揭示了动物运动过程中全身的肌肉、肌腱、骨骼系统能够根据运动性能的需要实时调控其刚柔特性，从而实现对运动能量的高效释放、回收利用、降低与环境接触交互中的能量损耗，以及降低内力耗能等一系列优异性能，对这一能力的认知不足，导致了在腿式机器人中难以利用仿生学结果，有效控制机器人各驱动关节的刚柔变化，因此，研究高能效步行过程中运动关节刚柔特性变化规律的表征与控制方法，有助于揭示其中蕴含的科学规律，也是机器人高能效运动研究中的关键问题之一。