四足機(jī)器人現(xiàn)狀研究

王睿

摘 要：四足機(jī)器人在航空航天、預(yù)警偵察、補(bǔ)給運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文分析了國外和國內(nèi)四足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，然后對國內(nèi)外四足機(jī)器人在技術(shù)方面的差距進(jìn)行了分析，最后對四足機(jī)器人的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人;現(xiàn)狀;應(yīng)用前景

四足機(jī)器人相較于輪式、蠕動(dòng)式等機(jī)器人具有機(jī)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)靈活、受地形限制少等優(yōu)勢，在航空航天、預(yù)警偵察，補(bǔ)給運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。隨著時(shí)代的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，四足機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值逐漸凸顯。同時(shí)，計(jì)算科學(xué)、新材料等科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展使得四足機(jī)器人的性能有了極大的提高。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)中葉，國外就已經(jīng)出現(xiàn)針對液壓驅(qū)動(dòng)足式機(jī)器人的研究。其中，美國是最早進(jìn)行該項(xiàng)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(jī)器車——Walking Truck[3]。1985年美國俄亥俄州立大學(xué)在國防高級計(jì)劃研究局的資助下開發(fā)了一款液壓六足機(jī)器車（Adaptive Suspension Vehicle，ASV），如圖1所示。ASV可以看作是第一款實(shí)際意義上的液壓足式機(jī)器人。ASV整車質(zhì)量約2.7噸，長約5.6m，擁有多種控制模式，可以在復(fù)雜地形環(huán)境中行走[4]。但是其運(yùn)動(dòng)需要人工控制且體積重量巨大，沒有實(shí)用價(jià)值。2005年美國波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamic）在國防高級研究計(jì)劃局資助下開發(fā)出第一代BigDog，并在隨后的幾年里對其進(jìn)行研究和完善，先后開發(fā)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(shí)用性越來越強(qiáng)。對比第一代BigDog，第二代BigDog主要對腿部膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使得BigDog穩(wěn)定性得到了極大的提高;第三代BigDog在髖關(guān)節(jié)位置增添了一個(gè)新的自由度，該自由度的添加使得BigDog腿部著地時(shí)小腿與地面的夾角始終處于一定范圍內(nèi)，提高了BigDog在復(fù)雜地形下的通過能力[5]。在波士頓動(dòng)力發(fā)布的視頻中，BigDog能夠在沙灘、雪地甚至泥濘地面等復(fù)雜地形下平穩(wěn)行走，受到突然性側(cè)向沖擊時(shí)能夠快速自主調(diào)節(jié)身體狀態(tài)以保持平衡。在此基礎(chǔ)上，波士頓動(dòng)力公司針對不同用途先后研發(fā)出LS3、Cheetah、WildCat、Spot等四足機(jī)器人。

美國BigDog的成功研制極大的加快了四足機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程。2011年，意大利理工大學(xué)開發(fā)了HyQ電液混合驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人[6]。該機(jī)器人充分結(jié)合了液壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，腿部髖側(cè)擺關(guān)節(jié)采用電驅(qū)動(dòng)，而髖縱擺關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)均采用液壓驅(qū)動(dòng)，在HyQ機(jī)器人基礎(chǔ)上開發(fā)的miniHyQ是迄今為止最輕、最小的四足機(jī)器人。2005年日本千葉大學(xué)研制的TITAN XI以及2014年日本中京大學(xué)研制的液壓多足仿生機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在20°斜坡上的穩(wěn)定行走。韓國工業(yè)技術(shù)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(jī)器人能夠完成前進(jìn)、倒退以及臥倒等動(dòng)作[7]。

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

BigDog等四足機(jī)器人的成功在國際社會(huì)上掀起了對四足機(jī)器人的研究熱潮，各個(gè)國家的研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出各有特點(diǎn)的四足機(jī)器人。相比之下，中國對于四足機(jī)器人的研究比較落后，最初集中在電動(dòng)四足機(jī)器人的研究上。直到國家“863計(jì)劃”立項(xiàng)，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)才開始研究液壓四足機(jī)器人。

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

山東大學(xué)是最早進(jìn)行四足機(jī)器人研究的機(jī)構(gòu)之一。2010年，山東大學(xué)開發(fā)的四足機(jī)器人Scalf-I，如圖3所示。該機(jī)器人機(jī)體上未集成液壓油源，采用室內(nèi)固定液壓泵站供能。在實(shí)驗(yàn)室條件下，Scalf-I在負(fù)重80kg時(shí)能夠以1.2m/s的速度行走。同時(shí)，Scalf-I對不平坦路面也有一定的通過能力[7]。

2012年，山東大學(xué)在Scalf-I的基礎(chǔ)上研制出Scalf-II，如圖4所示。Scalf-II在Scalf-I的基礎(chǔ)上集成了液壓動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力自給;優(yōu)化了腿部結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能;集成了大量的傳感器及慣性測量元件，使機(jī)器人具有自主恢復(fù)、保持平衡的能力[7]。Scalf-II所采用的液壓系統(tǒng)與Scalf-I基本類似，如圖5所示，該液壓系統(tǒng)是典型的單泵多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)定壓力為20MPa，主要通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及變量泵排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量。在工作過程中，該液壓系統(tǒng)主要通過伺服閥的節(jié)流效應(yīng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)壓力供應(yīng)和執(zhí)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(jié)流損失以及泄漏，使得系統(tǒng)能耗較高，能量利用率較低，極大的影響了四足機(jī)器人的續(xù)航能力。

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

綜合各項(xiàng)指標(biāo)而言，由于我國對四足機(jī)器人的研究開始較晚，關(guān)鍵元器件制造與國外相比存在差距等原因，現(xiàn)開發(fā)的四足機(jī)器人在負(fù)重能力、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和環(huán)境適應(yīng)性等方面與國外四足機(jī)器人相比存在較大的差距。從技術(shù)層面分析，兩者之間的差距主要存在于[8]：

（1）液壓系統(tǒng)硬件加工制造技術(shù)差距。主要原因是小型液壓執(zhí)行器設(shè)計(jì)制造技術(shù)（包括相應(yīng)材料加工技術(shù)）、高頻伺服閥設(shè)計(jì)制造技術(shù)、伺服控制技術(shù)及液壓回路信號檢測技術(shù)等較為落后。

（2）液壓系統(tǒng)元器件匹配問題。在四足機(jī)器人液壓系統(tǒng)中，每個(gè)元件都發(fā)揮著不可替代的作用。某些元器件參數(shù)與液壓系統(tǒng)指標(biāo)不匹配將無法發(fā)揮系統(tǒng)最大效能，這將直接影響到整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)。

（3）液壓理論研究進(jìn)步緩慢。該問題的主要原因是沒有針對四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或采取其他有效措施，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)流量、壓力供應(yīng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求極度不匹配。

3 結(jié)語

國內(nèi)研究相對較晚，與國外研究水平相比有一定差距，但經(jīng)過科研人員前期的努力，針對四足機(jī)器人的研究已經(jīng)取得一定成果。隨著控制理論、人工智能、加工工藝等技術(shù)的不斷發(fā)展使得四足機(jī)器人的性能有了很大提升，且其在軍事、航天等領(lǐng)域研究范圍的不斷擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的不斷成熟，實(shí)地實(shí)驗(yàn)的不斷開展，四足機(jī)器人的巨大應(yīng)用價(jià)值也將愈發(fā)明顯。

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