液压四足机器人元件与液压系统研究现状与发展趋势

关键词：四足机器人；机载液压系统；液压执行器；控制策略

研究背景

《中国制造2025》把机器人技术作为十大重点支持领域之一，液压足式机器人是机器人技术的重要分支之一，由于液压伺服驱动具有功率密度高的优势，可以最大程度降低驱动系统在机器人本体中的质量占比，足式机器人依靠其落足点离散实现对地形的灵活适应性的优势，广泛应用于地形勘探、武器装备、物资运输等领域。随着液压驱动、增材制造、逆向工程和智能控制等技术的高速发展，在丛林和山地环境中仍能背负物资并实现较为快速的行进的高机动液压四足机器人成为新的研究热点。液压四足机器人如何学习动物的运动机理，实现大自然哺乳动物的运动模式，辅助人类在不能到达的复杂的作业环境和危害人身的区域开展作业，成为广大学者研究方向。

研究成果

目前有关液压四足硬件本体的研究较少，研究主要集中在机器人步态控制和力柔顺控制方面。各团队搭建液压四足机器人时多采用工业领域现有的零部件进行集成设计，导致液压驱动系统功率密度指标远无法满足高机动液压足式机器人驱动与控制需求，缺少“高功率密度液压驱动动力单元”成为限制我国液压足式机器人技术进步的关键因素。本研究从机器人整机、液压执行元件和控制策略3个方面对国内外液压四足机器人的发展现状进行论述，并对创新设计和前沿技术展开介绍，最后结合新兴技术，总结了液压四足机器人未来的发展方向。

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对国内外四足机器人团队和机器人进行总结

在液压四足机器人的发展史上，留下浓墨重彩一笔的当属波士顿动力公司Boston Dynamics，在Marc Raibert教授的带领下开始腿足式机器人的研究，先后开发了Bigdog、Alpha Dog、Legged Squad Support System（LS3）、Cheetah、Wildcat、Spot等机器人，在负载能力、奔跑速度、灵活性等方面均有突破。意大利科学技术研究院（IIT）的DLS实验室2007年从单腿机器人的研发开始，开发了HyQ、HyQ-blue、HyQ2Max、HyQReal等机器人，并成功实现四足拖动3 t的飞机。韩国KITECH团队在机器人结构上有诸多尝试，采用16个自由度仿马结构、前腿后轮等结构，相继开发了P2、qRT-1、qRT-2和Jinpoong等机器人。此外，日本的TITAN-Ⅺ机器人可以实现5.2 t的负载，自主跨越15°的斜坡，在崎岖陡峭的地方实现作业辅助。

图1 国外各团队液压四足机器人

国内液压四足机器人的研究起步较晚，在863计划的支持下，山大、哈工大、国科大、北理工、上交大5个团队开始了液压四足的研究，取得了一定的研究成果。近年来，北方车辆所、华科、哈理工、江苏集萃、燕山大学等团队也加入了四足机器人的研究队伍。

图2 国内各团队液压四足机器人

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对机器人执行元件进行分类总结

作为驱动机器人的最基本单元，有关伺服执行器的结构创新和控制研究层出不穷，液压四足机器人每条腿的主动关节由2～4个伺服执行器驱动，其性能直接决定了机器人的负载能力和动态性能。

直线缸驱动是当下机器人最常用的方式，通过三角形连杆输出各关节扭矩，实现腿部各关节节律性摆动。波士顿动力、山东大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、江苏集萃智能制造、韩国工业技术科学院等均采用液压缸本体集成伺服阀和传感器的方式，IIT和华科采用缸阀分离式设计，上交大、国科大结合机器人工况对执行元件进行了特殊的设计。此外，IIT联合MOOG公司，融合了增材制造、伺服阀、传感检测等功能于一身，实现了高度集成的智能液压执行器（ISA）的设计；山大、燕大实现了缸腿一体化关节的设计；浙江大学实现了碳纤维复合材料液压缸的设计制造。

图3 国内各团队直线液压执行器

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对机器人控制策略进行归纳总结

目前常用于液压四足的控制方法主要有CPG、VMC、MPC、WBC等，各种控制方法的介绍对比如下图：

图4 各种控制算法对比

课题的总结和展望

当下，液压四足机器人承载着人们对伺服液压的期待，集中了高频响的伺服阀、低摩擦的伺服缸、智能控制算法等众多顶尖技术，实现简单的低速行走已经无法满足人们的期待，实现超越人类的高速奔跑和高爆发的运动能力成为必然趋势。但噪声大、能量转化率低、结构冗杂等问题始终制约着性能的进一步提升。新原理和新控制方法不断出现，将从以下方面提升液压四足机器人的各项性能：

（1）机载动力系统的高速化和高压化；

（2）元件一体化和轻量化；

（3）新型的散热、节能和降噪系统；

（4）智能算法。

相信在不久的将来，通过上下游相关产业的协同，结构上高集成，实现机器人极致轻量化；开发出高效的机载动力系统，配合先进的控制算法，保证环境适应性的同时，实现机器人高爆发输出、高动态性能。