【《四足机器人的发展研究文献综述》2700字】

四足机器人的发展研究文献综述1.1四足机器人研究初期四足机器人的最早期的研发起源于上世纪六十年代。在机器人的历史中，最具有里程碑纪念意义的研究成果是由美国军方为满足现代化战争需求，研制了一款WalkingTruck四足机器人，如图1-1所示。第一个显著特点是腿部修长，该四足机器人将四支结构相同的机械腿与机身相连接，该机械腿部关节连接方式采图1-1WalkingTruck四足机器人图1-2KUMO-I四足机器人用串联方式连接各关节，因此该四足机器人可以实现步速快，可以适应复杂地貌，甚至完成恶劣环境下行走和爬越障碍等动作。第二个特点是操作者与机械装置耦合，机器臂可以跟随操作员手臂运动，但是机器人四条腿运动需要操作者通过控制换向阀的开关，进而控制机械腿每个关节处的运动，来实现整体机器人运动的控制。其缺点是机器人的机身巨大，操作复杂，在当时未开始第四次工业革命，控制技术还未成熟，必须由人来参与控制驾驶才能实现该机器人运动要求，但是，现代足式机器人历史上第一个成功研制的机器人就是WalkingTruck，具有里程碑价值。它的出现在发展思路和整体结构设计上为后来的机器人研究奠定了基础。随后在位于日本东京的东京工业大学中，広癞∙福田机器人研究室研制出了第一款由计算机控制运动，名为“KUMO-I”四足机器人。如图1-2所示，该机器人是世界上第一个利用计算机实现控制，并且能够实现自我控制无需人为控制行走的足式机器人。总重14kg，高1.4m，其整体机械结构类似长腿蜘蛛，一个电机负责驱动一条腿。其特点是结构简单，采用电机的数量少，通过电机的控制可以实现多种步态方式的运动，并且还可以利用机械腿来完成任务。这款机器人体现了当时最高的机器人自动化控制技术水平，在后续机器人发展中提供了重要经验和宝贵数据。后来该研究所在已有的研究成果上还研制出名为PV—II型（如图1-3所示）和TITAN型机器人（如图1-4所示）。pV-11型机器人可以通过计算楼梯台阶高度，通过自我规划步态轨迹，实现上下楼梯的功能，与KUMO-I相比较在结构得图1-3PV—II型四足机器人图1-4TITAN型四足机器人到了大幅优化，平衡性能得到增强，实现了四足机器人通过计算机控制越障的功能性需求，为后续四足机器人上下楼梯上提供了各足端运动的计算机控制数据，在四足机器人的发展史具有极高的参考价值。1.2国外四足机器人研究成果随着第四次工业革命的开始，科技水平迅速发展，尤其是计算机控制水平的迅速提升，四足机器人的研究开辟了新的发展途径。“BigDog”四足机器人是近年来国外科技创新综合能力最强，极具有代表性的新型四足机器人。如图1-5所示，于2006年“BigDog”是美国波士顿公司协同军方共同研制成功。动力提供的具体方式是采用汽油发动机驱动小型液压泵站，通过液压的方式驱动机器人的具体运动。每一个驱动副为一个关节，每条腿有3个关节，其驱动原理是以12个液压伺服驱动副作为关节副，小型液压泵站产生的高压油通过集流腔，分别作用到液压伺服驱动副中，因此通过控制集流阀进而控制液压伺服驱动副，实现关节的控制，进而满足该机器人运动需求。能够实现动力自给自足，采用小型液压泵站降低整体重量是该机器人的优势所在。且“BigDog”具有较高的机动性，不仅可以适应各种复杂的地理环境，同时还能承载较重负荷的货物。“BigDog”的机动性主要源于腿部串联的三个关节所具有的多个自由度，还在每个关节处配有传感器，机器人的姿态、位移、速度和加速度通过这些传感器得以监测，还有关节致动器的受力，以及机器人内部引擎中的引擎速度、温度和液压。腿部各关节连接关系采用串联方式，因此在结构上空间约束条件较少，关节采用串联方式最大的优势就是具有较大的摆腿空间。在腿部末端足部安装的传感器可以将压力数值，位移数值等信号传输至控制系统，为下一步运动包括迈图1-5BigDog四足机器人图1-6仿生小象四足机器人步落脚点的选择，机器人姿态的变化和调整，步态的调整等都可以提供参考数据。综上所述，“BigDog”四足机器人是当今世界上运动能力最强，科技水平最高，自我调节能力最强的四足机器人，它代表着当时四足机器人领域最高水平。1.3国内四足机器人研究成果在2012年，名为“仿生小象四足机器人”由上海交通大学成功研制，该四足机器人在中国机器人研究的历程中具有重要的意义。如图1-6所示，该机器人自重130kg，负重能力大于100kg。该四足机器人拥有两大亮点：一、腿部结构采用了一种新型串并混联式的结构形式；二、该四足机器人的动力源是采用了一种新型将电机与小型液压泵站设计为一体的驱动器。在研制过程中，驱动功率密度得到了极大的提升以及面对复杂情况时控制更为灵活。串并混联关节连接方式是该四足机器人腿部机械结构设计，单腿具有3个自由度，因此整体四足机器人拥有12个自由度，在陡坡爬行前进、平坦地面对角小跑、障碍地段跳跃等多种地形运动姿态表现出色，4km/h是其可达到的最大运动速度,其运动爬行坡度极限值大于10度，具有极高的运动稳定性能。因其在腿部采用串并混联关节连接方式，因此该四足机器人不但腿部运动空间大，还可以在运动过程中承受较大的负载，可为提高其续航能力携带多块电池。“仿生小象四足机器人”的成功研制标志着中国四足机器人研究水平步入世界先进行列。宇树科技公司研制的Laikago是我国自主研发四足机器人的杰出代表。如图1-7所示，同样每条机械腿具有三个自由度，该四足机器人采用了腿部各关节串联的设计思路。由于串联结构每个关节需要单独的电机驱动，该机器人巧妙地设计将膝关节电机放置在了臀部，电机集中的布置方案可以减少运动控制时腿部重量，进而降低了运动惯性。Laikago能够展现出色运动性能的关键在于采用了一款没有减速器的直驱电机。该电机由于没有减速器，因此尺寸较小，减轻了整体重量，同时提高了对电机的控制能力和电机的可靠性，该电机的研制还使驱动器的价格极大地降低。整个机器人采用了12个的直驱电机，每个电机控制一个自由度，这种设计方案使整个机器人的尺寸极大减小以及整装的重量仅有22kg，包括电池，驱动器，控制器的电子元件。并于近期发行了可以实现自动电机冷却且运动更加稳定的Aliengo四足机器人，如图1-8所示。图1-7Laikago四足机器人图1-8Aliengo四足机器人参考文献[1]苏金文.四足仿生机器人混联腿构型设计及比较分析[J].赤峰学院学报（自然科学版）,2016,32(22):28-30.[2]汪世庆,单鑫,刘逸驰.四足机器人的发展现状及趋势[J].造纸装备及材料,2020,49(4):227-228.[3]王晓磊.基于串并混联机械腿的四足机器人机构分析与设计[D].河北:燕山大学,2019.[4]何笑寒.核电站救灾机器人轨迹规划与跟踪[D].上海:上海交通大学,2015.[5]邓黎明.四足小象机器人实时控制系统的设计与研究[D].上海:上海交通大学,2014.[6]JunHe,FengGao.TypeSynthesisforBionicQuadrupedWalkingRobots[J].仿生工程学报（英文版）,2015,12(4):527-538.[7]Zhong,Guoliang,Deng,Hua,Mistry,Michael,etal.Gaitandtrajectoryrollingplanningandcontrolofhexapodrobotsfordisasterrescueapplications[J].RoboticsandAutonomousSystems,2017,95:13-24.[8]XUYilin,GAOFeng,PANYang,etal.MethodforSix-LeggedRobotSteppingonObstaclesbyIndirectForceEstimation[J].中国机械工程学报,2016,29(4):669-679.[9]王晓磊,金振林,李晓丹,等.串并混联四足仿生机器人动力学建模与分析[J].农业机械学报,2019,50(4):401-412.[10]方洋.具有串并混联结构腿的四足机器人设计[D].燕山大学,2013.[