四足機器人并非新生事物，至今已經有長達60多年的研發曆史。發展至今，四足機器人已成為目前機器人領域的熱門細分賽道之一，且已在工業巡檢、災難救援、公共安防、負重運輸、軍事作戰、科研教育、導遊導覽、娛樂表演、家庭陪伴等衆多領域得到應用。本文将具體介紹和分析四足機器人的主要分類、典型應用及未來發展趨勢。
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本文由e-works編輯部楊培原創釋出。
2024年5月，在由中國和高棉舉行的“金龍-2024”聯合軍演中，來自中國的武裝機器狗引發各方廣泛關注，其相關視訊在社交平台上被大量轉發和評論。而此次聯合軍演中首次參演的中國武裝機器狗，本質上是背上安裝有自動步槍的遙控四足機器人。
圖1 武裝機器狗（圖源：央視新聞截圖）
實際上，四足機器人并非新生事物，至今已經有長達60多年的研發曆史。早在20世紀60年代，四足步行機器人的研發就已經起步。
近些年來，随着美國波士頓動力（Boston Dynamics）、瑞士ANYbotics以及國内的宇樹科技、雲深處科技、小米、騰訊、聯想、OPPO等企業紛紛推出四足機器人産品，以及四足機器人在大型展會、賽事和演出上頻頻亮相，也逐漸将四足機器人帶入到大衆視野。
發展至今，四足機器人已成為目前機器人領域的熱門細分賽道之一，且已在工業巡檢、災難救援、公共安防、負重運輸、軍事作戰、科研教育、導遊導覽、娛樂表演、家庭陪伴等衆多領域得到應用。本文将具體介紹和分析四足機器人的主要分類、典型應用及未來發展趨勢。
01
備受關注
迅速發展的四足機器人
毋庸置疑，四足機器人是近些年來備受關注的機器人類型之一。這具體表現在：
一是四足機器人賽道的入局者衆多。
入局者中，既有高校及科研院所，如斯坦福大學、意大利技術研究院（IIT）、南韓科學技術院（KAIST）、山東大學、浙江大學、國防科技大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、北京理工大學等；也包括專注于機器人研發的企業，如美國波士頓動力（Boston Dynamics），瑞士ANYbotics和Swiss-Mile，國内的宇樹科技、雲深處科技、追覓科技、優必選科技、蔚藍科技、普渡科技、德魯動力、七騰機器人、逐際動力、哈崎機器人、大象機器人等；還有來自網際網路與消費電子、汽車等行業的跨界入局者，如索尼、騰訊、科大訊飛、聯想、小米、OPPO、視源電子、小鵬鵬行（小鵬汽車生态企業）等。另外，日本川崎重工、日本三精科技株式會社、中國航天科工集團、中國兵器裝備集團、中國電子科技集團等大型企業集團近年來也都推出了四足機器人産品。
二是四足機器人領域投融資事件持續活躍。
據不完全統計，自2022年以來，已有小鵬鵬行、雲深處科技、宇樹科技、七騰機器人、蔚藍智能科技、逐際動力等多家四足機器人企業獲得融資。這其中，宇樹科技作為國内四足機器人頭部企業之一，在繼2022年完成B輪億元級融資後，又于2024年2月宣布完成近10億元人民币B2輪融資。
三是四足機器人越來越貼近大衆生活。
近年來，四足機器人頻頻在央視春晚、北京冬奧會開幕式、杭州亞運會和亞殘奧會、Super Bowl（素有“美國春晚”之稱）等大型賽事和演出上“刷存在感”，也讓四足機器人越來越多地走進人們的生活。
圖2 四足機器人亮相北京冬奧會開幕式（圖源：央視截圖）
四足機器人在近年來備受關注且發展迅速，主要得益于四足機器人所具備的獨特優勢。四足機器人是一種模仿四足動物行走的仿生機器人，是足（腿）式機器人的重要分支之一。與雙足機器人相比，四足機器人表現出更強的承載能力和穩定性；與六足機器人和八足機器人相比，四足機器人則擁有更簡單的結構和控制系統。
而且，與常見的輪式機器人和履帶式機器人更為擅長在較為平坦的表面上快速移動，但在穿越松軟、崎岖不平的地形或遇到狹窄空間效率卻大打折扣，甚至可能變得無法通行相比，四足機器人則越障能力強，更能适應各類複雜的地形（包括樓梯、台階、沙地、林地、山丘及其它不平坦的表面），并能夠保持身體的穩定性，具有較強的結構穩定性、較高的負重能力和靈活的機動能力。這些特點使得四足機器人在非結構化、存在不确定因素的複雜環境中更具有應用優勢。
02
多種多樣
四足機器人的主要分類
四足機器人的分類多種多樣。以下主要按照模仿的動物特征、驅動方式和控制方式進行分類介紹。
按照所模仿的動物特征來分，四足機器人可分為類狗四足機器人、類羊四足機器人、類馬四足機器人、獵豹型四足機器人等。目前市面上的四足機器人大多都是模仿狗的特征，這是因為狗的四肢膝一緻朝後，為腿部提供了更大的無碰撞工作空間，這種設計有助于“狗形”四足機器人完成上下樓任務。而且，狗的重心往往較低，低重心不僅可以提高機器狗在平地上行走時的平衡性和穩定性，還可以增強在崎岖地形上行走時的适應性和靈活性。此外，狗的步态多樣而高效，可根據不同的速度和地形，采用不同的步态，比如行走、小跑和疾馳。機器狗可以通過模仿狗的步态，實作不同的移動模式，以适應不同的場景和需求，提高其效率和性能。
但是，四足機器人模仿的對象卻并不僅僅局限于狗，也包括羊、馬、貓、獵豹等四足動物，以滿足特定場景及應用的需求。例如，在2022年日本東京國際機器人展會（iREX ）上，川崎重工就展示了一款四足機器羊Bex，其命名和造型都源于生活在西亞和非洲山地的羱羊，可用于運載輕型貨物、工廠巡檢等。小鵬鵬行曾釋出一款智能機器馬，模仿的是小馬的形态，可用于騎乘。大象機器人曾推出一款火星仿生貓MarsCat，能夠獨立完成走、跑、坐、伸懶腰、招手,以及标志性的蹭臉、埋貓砂等動作，主要作為電子寵物。美國麻省理工學院的科研團隊則推出了名為迷你獵豹（Mini Cheetah）的獵豹型四足機器人，奔跑速度非常快。
圖3 不同形态的四足機器人
按驅動方式，四足機器人可分為液壓驅動四足機器人、電力驅動四足機器人、氣動驅動四足機器人等。
其中，液壓驅動四足機器人采用液壓系統作為動力源，具有強大的驅動力和較高的負載能力。例如，波士頓動力的Spot Mini就是典型的液壓驅動四足機器人，它通過先進的液壓系統實作複雜的動作和良好的地形适應能力。液壓四足機器人依靠其落足點離散,實作對地形的靈活适應性的優勢，廣泛應用于地形勘探、武器裝備、物資運輸等領域。
電動四足機器人使用電動機作為動力源，通常具有結構簡單、維護友善和噪音低等特點，在能耗和環保方面表現較好，适合在需要低噪音和低排放的環境中工作。例如，小米公司推出的四足仿生機器人CyberDog和CyberDog2，就是電力驅動的四足機器人。
氣動驅動四足機器人具有制造成本低、設計輕、靈活性好優點，但卻面臨控制精度低等挑戰，使其難以實作高精度控制和低能耗。鑒于四足機器人應用場景複雜，對高動态響應和精度的需求高，且氣動四足機器人具有低阻抗特點，在行走過程中容易出現不必要的振蕩行為，目前氣動四足機器人還處于研究階段，應用尚未普及。
此外，也有混合動力驅動的四足機器人。例如，意大利技術研究院的動态腿足系統實驗室（Dynamic Legged Systems，DLS）開發的HyQ系列，是電液混合動力驅動的四足機器人。
按照控制方式分類，四足機器人可分為自主要制四足機器人和遙控操作四足機器人。自主要制四足機器人配備了進階的傳感器和控制系統，能夠實作自主導航、環境感覺和動态決策，可以在沒有人為幹預的情況下獨立完成任務。遙控操作四足機器人通過人工遙控的方式進行操作，通常用于探測、救援等需要實時人為判斷的場景，依賴于操作者的指令來完成具體的動作。
03
潛力巨大
四足機器人的典型應用
憑借越障能力強，适應各類複雜的地形，具有較強的結構穩定性、較高的負重能力和靈活的機動能力等優勢，四足機器人在工業領域應用潛力巨大。目前，四足機器人在工業領域的典型應用包括工廠巡檢、電力巡檢、金屬冶煉巡檢以及物流運輸等，而且未來也有望擴充到石油化工巡檢、天然氣管道巡檢、煤礦勘探等場景。
工廠巡檢：四足機器人能夠在高溫或高壓的有毒有害環境中進行全自動化巡檢，減少人員安全威脅，降低人力成本和減少人為誤差；能夠利用智慧化巡檢子產品及技術，采集相關資料上傳至背景進行分析處理，實作全自主智慧一體巡檢。例如，在南韓，某工廠與雲深處科技達成合作，其生産線管理項目将采用雲深處四足機器人進行産線表計識别、托盤搬運、零件夾取。
電力巡檢：四足機器人通過搭載智能傳感器、線上式聲學成像儀、操作機械臂等先進裝置，可代替或輔助巡檢人員完成諸如變電站、風電場、光伏電站、水電站、核電站、電力管廊地下空間以及其他重要場所的巡檢作業，在提高巡檢效率的同時，也能降低操作風險。
例如，宇樹科技、雲深處科技等四足機器人廠商攜手福祿克公司推出了四足機器人智能巡檢解決方案，可代替巡檢人員進入密閉空間或危險環境進行巡檢和搜尋，快速完成對裝置的檢測，解決運維難題，提高巡檢頻率，并降低風險。在2022杭州亞運會和亞殘運會舉辦期間，雲深處科技的絕影X20四足機器人就在亞運村地下8米電力管廊深處守護亞運村的供電安全。
圖4 絕影X20四足機器人應用于電力管廊巡檢 （圖源：宇樹科技）
金屬冶煉巡檢：在鋼鐵冶煉流程中，有數量龐大的原料皮帶機通廊，這些地方巡檢作業強度大，工況較惡劣危險，不僅狹窄崎岖，粉塵巨大，而且路面泥濘濕滑，多管纜、多障礙，人員作業有安全事故風險。而四足機器人則能在這些複雜環境實作無人巡檢勘察，大幅度減少人工巡檢安全風險，能夠全天候作業，提高巡檢效率，提前預防裝置故障；并能夠不間斷收集巡檢資料，覆寫巡檢死角盲區。而且，高準确率的資料分析報告也能夠為管理人員提供決策支援，減少生産過程安全事故發生。據媒體報道，寶鋼股份中央研究院成功研發了首台套通廊四足巡檢機器人第一代樣機，并已在寶山基地運輸部碼頭原料進廠中心和煉鐵廠原料工場上線實戰測試。
圖5 寶鋼股份中央研究院研發的首台套通廊四足巡檢機器人第一代樣機（圖源：錢江晚報）
物流運輸：四足機器人可以在複雜的環境下運輸貨物，提高物流效率和安全性，減少人工成本和風險，特别是在需要在不平坦或崎岖的地形上移動時；而且通過加裝機械臂，也能實作開關門、拾取重物等動作。意大利技術研究院（IIT）曾釋出一段視訊，視訊中其四足機器人HyQReal自重隻有130公斤，卻能拉動重達3.3噸的飛機，這也充分體了四足機器人的負重能力。而且，在杭州亞運會上，四足機器人出現在鐵餅賽場，用于将鐵餅從落點搬運到靠近場邊的指定位置。而這種靈活的搬運能力，也可以複制到工業場景之中。
圖6 130公斤的四足機器人HyQReal拖動3噸多重的飛機 （圖源：意大利技術研究院）
除了在工業領域，四足機器人在應急救援、環境監測、建築測繪、家庭服務、導遊導覽、農業監測、軍事作戰等其它領域同樣也擁有巨大的應用潛力。
表1 四足機器人在其它領域的應用
04
持續演進
四足機器人的發展展望
随着四足機器人越來越受到關注，且應用也不斷豐富，越來越多的科研團隊也加入對四足機器人的研究，這也推動四足機器人領域的發展日新月異。展望未來，四足機器人的研究和發展方向主要在于：通過輪足複合式的腿結構設計，實作更豐富和複雜的應用；多技術融合增強四足機器人的智能化、自主化能力；開源項目推動四足機器人技術持續進步。
1. 輪足結合，實作更豐富和複雜的應用
輪足結合就是将輪式和足式結構相結合，使得四足機器人具備實時地形感覺與全地形移動能力，既解決了足式機器人速度低、效率低以及輪式機器人難以适應複雜地面環境的問題，也使得四足機器人能夠實作更加豐富和複雜的應用。目前，輪足複合式的腿部結構設計是四足機器人廠商的研究重點之一。
例如，川崎重工推出的四足機器人Bex就采用了輪足複合結構，在膝蓋處安裝了輪子，在崎岖不平的地形上時可借由足式結構實作全向移動，而在光滑的平面上時則可借助輪子快速移動。在應用上，四足機器人Bex既可以運載輕型貨物，用于在建築工地運輸材料，或在農場運輸農作物；也可以用于工廠巡檢，通過其自身配備的相機來檢查儀器的運作狀态。而且，據介紹，川崎研發團隊将重點關注其下半身的混合移動系統，并将其打造成一個開放應用的工具。
圖8 采用輪足複合結構的四足機器人Bex
騰訊Robotics X 實驗室自研的四足機器人Max融合了足式與輪式運動模态，可以靈活切換，在崎岖路面走得穩，在平坦路面跑得快，更契合人類社會的現實環境。此外，逐際動力全自研的四輪足機器人W1，把腿式和輪式結構的優勢結合于一身，配置多款自研高性能關節，實作了實時地形感覺與全地形移動能力，大幅提高足式機器人的作業能力。
騰訊四足機器人Max（圖源：騰訊）
此外，值得一提的是，實作仿生四足與履帶式結構雙優勢結合、可靈活切換行進方式的履帶四足複合機器人，也有相關研究團隊正在開發和研究之中。
2.多技術融合增強智能化、自主化能力
通過整合包括計算機視覺、自動控制、人工智能、步态規劃和能源供應等多方面技術，能夠增強四足機器人的智能化、自主化能力，使得四足機器人可在各種複雜環境中進行高效地自主導航和動态避障。是以，多技術融合也是目前四足機器人的重點研究和發展方向之一。
例如，宇樹科技推出的Unitree B2四足機器人通過配備多種傳感器，如3D雷射雷達、深度相機和光學相機等，實作了更高水準的感覺能力，能夠更好地了解和适應周圍環境；同時支援快速更換電池、智能自主充電。多種技術的融合，也使得Unitree B2可廣泛應用于工廠巡檢、電力巡檢、應急救援等場景。波士頓動力通過使用ChatGPT以及一些開源的大語言模型訓練其Spot四足機器人，使得Spot化身為“導遊”，可以與人進行交流，并具有視覺問答能力,可以分析圖像并回答問題。
3.開源開放推動四足機器人技術持續進步
開源開放是推動技術創新的重要手段。在技術層面上，四足機器人內建了動力系統部件的仿生結構設計、環境感覺技術、自主要制技術、運動規劃、運動控制、SLAM等多種技術，非常适合二次開發，解鎖更多功能，實作特殊應用需求。而通過開放共創，則更能推動四足機器人的技術進步和應用拓展。
此前，美國麻省理工學院（MIT）的Min cheetah四足機器人從硬體到軟體全開源，就很好地推動了四足機器人的技術創新和産業協作，使得越來越多的研發團隊參與到四足機器人産品的研發和産業化。而且，近年來包括紐約大學、百度、宇樹科技等通過開源自身在四足機器人領域的相關研究成果，同樣也推動了四足機器人的技術進步和産業發展。可以預見，随着越來越多的研究團隊基于開源共創模式進行研究創新，四足機器人的技術與産業發展也将邁上新的台階。
結 語
在科幻電影《流浪地球2》中，四足機器人“笨笨”憑借其生動可愛的形象圈粉無數。電影中的“笨笨”擁有在外太空、海底等極端環境下運輸、勘測、躲避等能力，平時賣萌憨态可掬，關鍵時刻又能挺身而出救助主人。盡管“笨笨”隻是電影中虛拟出來的角色，但随着技術及應用的發展，科幻正在照進現實。如今，現實世界中的四足機器人已經與“笨笨”非常接近，并已成為人類生産生活的得力助手。我們也期待四足機器人在未來将在更多領域發揮更加重要的作用。
[1] 四足步行機器人研究現狀及展望
https://www.doc88.com/p-5495002366805.html
[2] 四足綜述（一）四足機器人發展現狀
https://mp.weixin.qq.com/s/BcbIVIBP4Ow9yJlGwnEJOQ
[3] 智說科普（二）四足智能機器狗的“前世今生”
https://mp.weixin.qq.com/s/OLnXhF4Y73C1n6pB_n-sDg
[4] Review of Quadruped Robots: Structure, Control, and Autonomous Motion
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202300783
[5] 為什麼四足機器人總設計成狗的樣子？
https://mp.weixin.qq.com/s/UGNFDDTxkq-_w6xoNymHIA
[6] 中國四足機器人都是“笨狗”？沒那麼簡單
https://mp.weixin.qq.com/s/nAhqoMFl2jmtex3oOz--NQ
[7] 波士頓動力機器狗能開口聊天了！ChatGPT加持，對話機智妙語連珠
https://mp.weixin.qq.com/s/LK0156UtTN0h2GrtZVqPng