【《四足机器人国内外研究现状的文献综述》2800字】

四足机器人国内外研究现状的文献综述目前，国内外很多高校、企业都在进行四足机器人的研究。随着计算机技术、传感检测技术、自动控制技术、仿生技术等科学技术的高速发展，四足机器人从遥控行走到自主行动，从空载到负重，已经有一大批优秀的四足机器人问世。1.3.1国外研究现状2005年，波士顿动力公司的四足机器人BigDog问世，一时之间，这款机器人凭借其出色的性能以及良好的仿生设计成为了四足机器人的代表BigDogADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>Raibert</Author><Year>2008</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">11</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>MarcRaibert</author><author>etal.,</author></authors></contributors><titles><title>BigDog,theRough-TerrainQuadrupedRobot</title><secondary-title>IFACProceedingsVolumes</secondary-title></titles><periodical><full-title>IFACProceedingsVolumes</full-title></periodical><pages>10822-10825</pages><volume>41</volume><number>2</number><dates><year>2008</year></dates><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"Raibert,2008#11"11]，如REF_Ref71986876\h图1.1所示，官方资料指出，BigDog体长1米，高度约为0.7米，整个机器人系统总重量为75千克，可以在复杂环境中行走、小跑、负重前进。经过不断研发改进，科研人员为BigDog增添了雷达传感器和导航算法，使其能够在未知的丛林环境中出色地完成自主导航和目标搜寻工作。在非结构化森林地形的实地测试中，BigDog在26次跑步中有23次可以到达目标位置，并且可以在没有操作员参与的情况下一次性跑动130米以上ADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>Wooden</Author><Year>2010</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">12</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>D.Wooden</author><author>M.Malchano</author><author>K.Blankespoor</author><author>A.Howardy</author><author>A.A.Rizzi</author><author>M.Raibert</author></authors></contributors><titles><title>AutonomousnavigationforBigDog</title><secondary-title>2010IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation</secondary-title><alt-title>2010IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation</alt-title></titles><pages>4736-4741</pages><dates><year>2010</year><pub-dates><date>3-7May2010</date></pub-dates></dates><isbn>1050-4729</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1109/ROBOT.2010.5509226</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Wooden,2010#12"12]。图1.SEQ图1.\*ARABIC1BigDog的主要组件图示Figure.1.SEQFigure.1.\*ARABIC1IllustrationshowingBigDog’smajorcomponents[11]美国麻省理工学院研制的Cheetah四足机器人重32公斤，高约70厘米，宽约23厘米，长1米，如REF_Ref71986911\h图1.2所示。它拥有独特的驱动系统和腿部设计，采用高扭矩密度的电机驱动，可以在跑步机上以每秒6米的速度小跑。在机器人以最大速度6m/s奔跑时，测得其弗劳德数为7.34，运输成本为0.5，优秀的数据足以和足跑动物相媲美ADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>Park</Author><Year>2014</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">13</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Hae-WonPark</author><author>SangbaeKim</author></authors></contributors><titles><title>TheMITCheetah,anElectrically-PoweredQuadrupedalRobotforHigh-speedRunning</title><secondary-title>JournaloftheRoboticsSocietyofJapan</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournaloftheRoboticsSocietyofJapan</full-title></periodical><pages>323-328</pages><volume>32</volume><number>4</number><dates><year>2014</year></dates><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"Park,2014#13"13]。升级改进后的第三代Cheetah四足机器人可以通过触觉感知周围环境，进行运动，并且在运动过程中有着出色的避障能力。2019年MIT又推出了新型的MiniCheetah四足机器人，如REF_Ref71986970\h图1.3所示，MiniCheetah站立状态下高约0.3米，重9千克。其特色在于可以实现360°后空翻，而且机器人系统的空翻轨迹可以通过离线非线性优化的方法进行控制ADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>Katz</Author><Year>2019</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">14</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>B.Katz</author><author>J.D.Carlo</author><author>S.Kim</author></authors></contributors><titles><title>MiniCheetah:APlatformforPushingtheLimitsofDynamicQuadrupedControl</title><secondary-title>2019InternationalConferenceonRoboticsandAutomation(ICRA)</secondary-title><alt-title>2019InternationalConferenceonRoboticsandAutomation(ICRA)</alt-title></titles><pages>6295-6301</pages><dates><year>2019</year><pub-dates><date>20-24May2019</date></pub-dates></dates><isbn>2577-087X</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1109/ICRA.2019.8793865</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Katz,2019#14"14]。图1.SEQ图1.\*ARABIC2Cheetah四足机器人Figure.1.SEQFigure.1.\*ARABIC2Cheetahquadrupedrobot图1.SEQ图1.\*ARABIC3MiniCheetah四足机器人Figure.1.SEQFigure.1.\*ARABIC3MiniCheetahquadrupedrobot瑞士苏黎世理工大学在2013年推出了StarlETH仿生四足机器人，如REF_Ref71986937\h图1.4所示，其长度为0.6米，重约23千克，每条腿具有三个自由度，腿呈X型排列。每条腿的三个驱动电机均安装在髋关节，减少了腿部的质量，重心更加接近躯干中心ADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>熊泉</Author><Year>2020</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">15</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>熊泉</author></authors><tertiary-authors><author>李戈,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>小型四足仿生机器人研制及控制策略研究</title></titles><keywords><keyword>四足仿生机器人</keyword><keyword>动力学建模</keyword><keyword>轨迹规划</keyword><keyword>柔顺控制</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><publisher>哈尔滨工业大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"熊泉,2020#15"15]。机器人的关节设计采用了柔顺机构，能够获得自然动力，被动适应性较好。图1.SEQ图1.\*ARABIC4StarlETH四足机器人ADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>Hutter</Author><Year>2013</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[16]</style></DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">17</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Hutter,Marco</author><author>Gehring,Christian</author><author>Bloesch,Michael</author><author>Hoepflinger,Mark</author><author>Siegwart,Roland</author></authors></contributors><titles><title>WalkingandRunningwithStarlETH</title></titles><dates><year>2013</year><pub-dates><date>2013</date></pub-dates></dates><work-type>ConferencePapers</work-type><urls></urls></record></Cite></EndNote>[\o"Hutter,2013#17"16]Figure.1.SEQFigure.1.\*ARABIC4StarlETHquadrupedrobot此外，意大利理工学院的HyQ系列四足机器人，美国俄亥俄州立大学的KOLT四足机器人，瑞士联邦理工大学的ANYmalADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>Hutter</Author><Year>2016</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[17]</style></DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">18</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>M.Hutter</author><author>C.Gehring</author><author>D.Jud</author><author>A.Lauber</author><author>C.D.Bellicoso</author><author>V.Tsounis</author><author>J.Hwangbo</author><author>K.Bodie</author><author>P.Fankhauser</author><author>M.Bloesch</author><author>R.Diethelm</author><author>S.Bachmann</author><author>A.Melzer</author><author>M.Hoepflinger</author></authors></contributors><titles><title>ANYmal-ahighlymobileanddynamicquadrupedalrobot</title><secondary-title>2016IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems(IROS)</secondary-title><alt-title>2016IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems(IROS)</alt-title></titles><pages>38-44</pages><dates><year>2016</year><pub-dates><date>9-14Oct.2016</date></pub-dates></dates><isbn>2153-0866</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1109/IROS.2016.7758092</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Hutter,2016#18"17]，以及德国早期开发的BISAM四足机器人等都取得了醒目的成绩。一些国外知名机器人系统按照发布时间顺序总结如表1-1所示：表1-1国外机器人系统发展现状总结归纳Table1-1.Summaryofthedevelopmentstatusofforeignroboticsystems时间国家机器人名称特性1988德国BISAM每条腿具有四个自由度，头部有视觉系统。2004美国KOLT膝关节增加了弹簧装置，一定程度上提升了系统柔顺程度，传感检测装置增加。2005美国BigDog可以在复杂环境中负重行走，后续改进后加入了自主导航搜寻功能。2007-2019意大利HyQ系列液压驱动和电机驱动相结合的混合驱动方式，大大提升了力觉控制的准确性。2012美国Cheetah通过仿生学的研究与运用实现了四足机器人系统快速奔跑，系统能量利用率高。2013瑞士StarlETH关节设计较多地采用了柔顺机构，从而使得机器人能够获得自然动力，被动适应性较好。2017美国SpotMini机器人灵活性极强，对于自身姿态、受力情况、所处位置感知性好。2019美国MiniCheetah实现了四足机器人系统的后空翻动作，且空翻动作轨迹可控。1.3.2国内研究现状我国四足机器人相关研究虽然起步较晚，但是发展很快，取得了突出的成果。比较有代表性的是宇树科技开发的四足机器人Laikago，如REF_Ref71986989\h图1.5所示。这款机器人本体质量22kg，搭载的自行研制的电机系统输出功率为18kw，脱离外部供电的情况下可运行2~3小时。不足之处是，在性能上，Laikago还不够成熟，在视觉导航和自主性方面有待提升。图1.SEQ图1.\*ARABIC5宇树科技四足机器人LaikagoFigure.1.SEQFigure.1.\*ARABIC5LaikagofromUnitreeRobotics浙江大学是国内著名高校，其研究团队研发了“绝影”和“赤兔”机器人，这两款机器人性能优秀，成为了国内的四足机器人代表。“绝影”如REF_Ref71987004\h图1.6所示，机器人全长1米，四足站立时高60厘米，整个机器人系统重为70千克，载重可达到20千克，行走速度为每小时6公里，最大续航时间2小时。经过研发团队的调试，“绝影”四足机器人可以完成诸多动作，比如跑步、跳跃、在梯子上行走等，甚至即便是在坑洼不平的石子路上行走，也能保持机身平稳；即使摔倒在地，也能够自动调整身体方位重新站立。“赤兔”机器人如REF_Ref71987013\h图1.7所示，南江机器人股份有限公司也参与了该款机器人的研发，“赤兔”机器人全长60厘米，系统整体重量为65千克，采用电机驱动。它的一大优势在于其对于各种复杂地形都有着高度的适应能力，可以在保证步态稳定的情况下实现上坡路行走、崎岖路面行走、爬楼梯、小跑和奔跑等各种动作ADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>李川</Author><Year>2017</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">19</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>李川</author></authors><tertiary-authors><author>熊蓉,</author><author>朱秋国,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>四足仿生机器人跑跳运动规划与控制</title></titles><keywords><keyword>四足机器人</keyword><keyword>小跑运动</keyword><keyword>跳跃运动</keyword><keyword>虚拟模型控制</keyword></keywords><dates><year>2017</year></dates><publisher>浙江大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"李川,2017#19"18]。图1.SEQ图1.\*ARABIC6浙江大学“绝影”机器人Figure.1.SEQFigure.1.\*ARABIC6ZhejiangUniversity‘Jueying’robot图1.SEQ图1.\*ARABIC7浙江大学“赤兔”机器人Figure.1.SEQFigure.1.\*ARABIC7ZhejiangUniversity‘Chitu’robot哈尔滨工业大学在四足机器人领域也有所成就。哈尔滨工业大学自主研发了大狗、舵机狗等多款四足机器人产品。代表作品之一是李满天教授团队研发的四足机器人，他们利用SLIP，即弹簧负载倒立摆模型对机器人的控制系统进行了优化，使控制算法更加高效。同时，为了便于分析计算和仿真，他们也将四足机器人系统三维模型中较为复杂的动力学模型进行了等效简化，并且依据简化模型建立了以液压为驱动方式的仿生机器人系统。该机器人系统结构合理、控制算法较为高效，能够在山路、土地等不规则的复杂室外环境中完成稳定可靠的对角小跑动作ADDINEN.CITE<EndNote><CiteExcludeYear="1"><Author>Li</Author><Year>2014</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[19]</style></DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="ddvtxwsf6tv2akestepvvrre0r5z95rffwsr">20</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Li,Mantian</author><author>Jiang,Zhenyu</author><author>Wang,Pengfei</author><author>Sun,Lining</author><author>Ge,ShuzhiSam</author></authors></contributors><titles><title>ControlofaQuadrupedRobotwithBionicSpringyLegsinTrottingGait</title><secondary-title>JournalofBionicEngineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofBionicEngineering</full-title></periodical><pages>188-198</pages><volume>11</volume><number>2</number><dates><year>2014</year><pub-dates><date>2014/06/01</date></pub-dates></dates><isbn>2543-2141</isbn><urls><related-urls><url>/10.1016/S1672-6529(14)60043-3</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/S1672-6529(14)60043-3</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Li,2014#20"19]。另外，清华大学、中国科学技术大学、山东大学、重庆大学、上海大学、北京理工大学等高校也都开展了四足机器人相关研究，并取得了较好的成绩，相关机器人如图1.8所示。(a)中科大HyTRo-I(b)重庆大学Rolling-wolf(c)清华大学Biosbot(a)USTCHyTRo-I(b)CQURolling-wolf(c)THUBiosbot(d)山东大学电驱(e)北京理工大学NAZA(f)哈尔滨工业大学四足机器人(d)SDUelectricdriverobot(e)BITNAZA(f)HITquadrupedrobot图1.8国内各高校四足机器人Fig.1.8Quadrupedrobotsindomesticuniversities参考文献ADDINEN.REFLIST[1] 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