四足機器人現狀研究

王睿

摘 要：四足機器人在航空航天、預警偵察、補給運輸等領域具有廣泛的應用前景。本文分析了國外和國內四足機器人的發展現狀，然后對國內外四足機器人在技術方面的差距進行了分析，最后對四足機器人的發展前景進行展望。

關鍵詞：四足機器人;現狀;應用前景

四足機器人相較于輪式、蠕動式等機器人具有機體結構穩定、運動靈活、受地形限制少等優勢，在航空航天、預警偵察，補給運輸等領域具有廣泛的應用前景[1]。隨著時代的發展以及科學技術的進步，四足機器人的實用價值逐漸凸顯。同時，計算科學、新材料等科學技術的迅速發展使得四足機器人的性能有了極大的提高。

1 國外發展現狀

20世紀中葉，國外就已經出現針對液壓驅動足式機器人的研究。其中，美國是最早進行該項研究的國家之一[2]。1968年美國通用電氣公司將一輛汽車的車輪更換為液壓腿足，成功改造出一款四足機器車——Walking Truck[3]。1985年美國俄亥俄州立大學在國防高級計劃研究局的資助下開發了一款液壓六足機器車（Adaptive Suspension Vehicle，ASV），如圖1所示。ASV可以看作是第一款實際意義上的液壓足式機器人。ASV整車質量約2.7噸，長約5.6m，擁有多種控制模式，可以在復雜地形環境中行走[4]。但是其運動需要人工控制且體積重量巨大，沒有實用價值。2005年美國波士頓動力公司（Boston Dynamic）在國防高級研究計劃局資助下開發出第一代BigDog，并在隨后的幾年里對其進行研究和完善，先后開發出第二、三代BigDog，各代BigDog如圖2所示。通過圖2可以看出，通過不斷的升級，BigDog的實用性越來越強。對比第一代BigDog，第二代BigDog主要對腿部膝關節結構進行了改進，使得BigDog穩定性得到了極大的提高;第三代BigDog在髖關節位置增添了一個新的自由度，該自由度的添加使得BigDog腿部著地時小腿與地面的夾角始終處于一定范圍內，提高了BigDog在復雜地形下的通過能力[5]。在波士頓動力發布的視頻中，BigDog能夠在沙灘、雪地甚至泥濘地面等復雜地形下平穩行走，受到突然性側向沖擊時能夠快速自主調節身體狀態以保持平衡。在此基礎上，波士頓動力公司針對不同用途先后研發出LS3、Cheetah、WildCat、Spot等四足機器人。

美國BigDog的成功研制極大的加快了四足機器人的發展進程。2011年，意大利理工大學開發了HyQ電液混合驅動四足機器人[6]。該機器人充分結合了液壓驅動和電驅動的優點，腿部髖側擺關節采用電驅動，而髖縱擺關節和膝關節均采用液壓驅動，在HyQ機器人基礎上開發的miniHyQ是迄今為止最輕、最小的四足機器人。2005年日本千葉大學研制的TITAN XI以及2014年日本中京大學研制的液壓多足仿生機器人已經實現了在20°斜坡上的穩定行走。韓國工業技術研究院于2010年和2014年分別研制出KITECH p-2和Jin Poong，該兩種四足機器人能夠完成前進、倒退以及臥倒等動作[7]。

2 國內發展現狀

BigDog等四足機器人的成功在國際社會上掀起了對四足機器人的研究熱潮，各個國家的研究機構設計出各有特點的四足機器人。相比之下，中國對于四足機器人的研究比較落后，最初集中在電動四足機器人的研究上。直到國家“863計劃”立項，國內研究機構才開始研究液壓四足機器人。

目前，國內針對高速度、高負重以及高環境適應性四足機器人的研究主要集中于高等院校，山東大學的SCalf、上海交通大學JTUWM-Ⅲ、哈爾濱工業大學HITAN以及北京理工大學、國防科技大學等研制的四足機器人都是一些具有代表性的作品。

山東大學是最早進行四足機器人研究的機構之一。2010年，山東大學開發的四足機器人Scalf-I，如圖3所示。該機器人機體上未集成液壓油源，采用室內固定液壓泵站供能。在實驗室條件下，Scalf-I在負重80kg時能夠以1.2m/s的速度行走。同時，Scalf-I對不平坦路面也有一定的通過能力[7]。

2012年，山東大學在Scalf-I的基礎上研制出Scalf-II，如圖4所示。Scalf-II在Scalf-I的基礎上集成了液壓動力系統，實現了動力自給;優化了腿部結構，提高了機器人的運動學和動力學性能;集成了大量的傳感器及慣性測量元件，使機器人具有自主恢復、保持平衡的能力[7]。Scalf-II所采用的液壓系統與Scalf-I基本類似，如圖5所示，該液壓系統是典型的單泵多執行器液壓系統。該系統設定壓力為20MPa，主要通過調節發動機轉速以及變量泵排量調節系統流量。在工作過程中，該液壓系統主要通過伺服閥的節流效應協調系統壓力供應和執行器需求之間的矛盾。但是伺服閥在工作過程中存在大量的節流損失以及泄漏，使得系統能耗較高，能量利用率較低，極大的影響了四足機器人的續航能力。

除山東大學以外，國防科技大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、北京理工大學等都各自研制了四足機器人，如圖6所示。它們所采用的液壓系統與Scalf非常類似，因此不再詳細描述。

綜合各項指標而言，由于我國對四足機器人的研究開始較晚，關鍵元器件制造與國外相比存在差距等原因，現開發的四足機器人在負重能力、運動速度、運動平穩性和環境適應性等方面與國外四足機器人相比存在較大的差距。從技術層面分析，兩者之間的差距主要存在于[8]：

（1）液壓系統硬件加工制造技術差距。主要原因是小型液壓執行器設計制造技術（包括相應材料加工技術）、高頻伺服閥設計制造技術、伺服控制技術及液壓回路信號檢測技術等較為落后。

（2）液壓系統元器件匹配問題。在四足機器人液壓系統中，每個元件都發揮著不可替代的作用。某些元器件參數與液壓系統指標不匹配將無法發揮系統最大效能，這將直接影響到整個機器人的運動品質。

（3）液壓理論研究進步緩慢。該問題的主要原因是沒有針對四足機器人的運動特點對液壓系統進行重新設計或采取其他有效措施，導致液壓系統流量、壓力供應與執行機構需求極度不匹配。

3 結語

國內研究相對較晚，與國外研究水平相比有一定差距，但經過科研人員前期的努力，針對四足機器人的研究已經取得一定成果。隨著控制理論、人工智能、加工工藝等技術的不斷發展使得四足機器人的性能有了很大提升，且其在軍事、航天等領域研究范圍的不斷擴大，實驗樣機的不斷成熟，實地實驗的不斷開展，四足機器人的巨大應用價值也將愈發明顯。

參考文獻：

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[3]雷靜桃，王峰，俞煌穎.四足機器人軌跡規劃及移動能耗分析[J].機械設計與研究，2014，30（01）：29-34.

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[5]朱雅光.基于阻抗控制的多足步行機器人腿部柔順控制研究[D].杭州：浙江大學，2014：35.

[6]Garcia E，Galvez J A，Santos P G D.On Finding the Relevant Dynamics for Model-Based Controlling Walking Robots[J].Journal of Intelligent and Robotic Systems： Theory and Applications，2003，37（04）：375-398.

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[8]雷豹.具有柔性回轉關節的單腿機器人跳躍運動動態特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014：56