【四足仿生機器人的控制技術(shù)發(fā)展文獻(xiàn)綜述2800字（論文）】

四足仿生機器人的控制技術(shù)發(fā)展文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u31215四足仿生機器人的控制技術(shù)發(fā)展文獻(xiàn)綜述 188551.研究背景、研究意義 115702.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和分析 2278842.1.國外研究現(xiàn)狀 2180452.2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀 324113.研究的發(fā)展趨勢和展望 59583參考文獻(xiàn) 5研究背景、研究意義近年來，隨著機械制造水平、傳感器開發(fā)水平、運動仿真水平、硬件控制水平和人工智能水平等多方面的蓬勃發(fā)展，機器人領(lǐng)域作為上述技術(shù)點的一類交叉研究方向，變得越來越熱門。移動式機器人是機器人研究方向中非常重要的一個領(lǐng)域，不同的移動式機器人有著各色鮮明的特點。在移動式機器人中，足式機器人有著非常良好的運動性能，并且是如今國內(nèi)外移動機器人領(lǐng)域的研究熱門，有著潛力不錯的研究空間和非常廣闊的應(yīng)用方向。不同于履帶式機器人和輪式機器人落足點的連續(xù)性，足式機器人的落足點是可控且離散的，使得足式機器人能夠主動地在運動空間中自由選擇落足點，從而實現(xiàn)一定的避障和爬坡能力且保持不錯的穩(wěn)定性。按照形態(tài)的不同，常見的足式機器人可以分為單足、雙足、四足和六足等多足形態(tài)的移動式機器人[1]。相較之下，四足機器人能夠同時兼顧雙足機器人的運動速度以及六足機器人的運動穩(wěn)定性，在非結(jié)構(gòu)化的崎嶇地面上能夠穩(wěn)定移動，同時其機械結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜且可以實現(xiàn)一定的負(fù)重運輸能力。四足機器人作為移動式機器人的代表，有著非常重要的研究價值和應(yīng)用潛力，因此其成為如今足式機器人領(lǐng)域中較為熱門的研究對象。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和分析國外研究現(xiàn)狀目前國際上公認(rèn)的足式機器人研究領(lǐng)域的先驅(qū)非波士頓動力公司（BDI）莫屬，該公司由前麻省理工學(xué)院（MIT）教授MarcRaibert創(chuàng)立。波士頓動力公司與LegLaboratory有著深厚的淵源[2]。19世紀(jì)80年代Marc在該實驗室里與其團隊一同制造出個單腿機器人，該單腿機器人不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間的任意跳躍運動，還可以翻跟頭。此機器人的出現(xiàn)可謂震驚機器人界，卓越的運動控制效果引人贊嘆。隨后，由于該單腿機器人的控制器的通用屬性，該控制器還被使用到了兩足機器人以及四足機器人上，并且實現(xiàn)了兩足機器人的跳躍前進(jìn)，四足機器人的flying-toting步態(tài)，bounding步態(tài)并且Mac還寫了一篇文章來詳細(xì)介紹該機器人所使用的硬件和控制方法[3]。至此，世界各地的人們紛紛基于該方法在不同的四足機器人平臺上進(jìn)行仿真和實驗并獲得不錯的運動效果，該控制方法也成為四足機器人的入門教材。接下來值得一提的是蘇黎世理工大學(xué)（EIH）研發(fā)的ANYMAL系列機器人，ETH本身作為世界頂級院校并且在機器人的控制和視覺感知等方面投入了巨大的精力，可以說其在機器人領(lǐng)域擁有雄厚的經(jīng)驗和實力。ANYMALL系列機器人相比其它系列機器人一個明顯不同的地方是這些機器人的腿部質(zhì)量和慣性大[4]。因為結(jié)構(gòu)的原因?qū)е碌倪@種不同，區(qū)別于這兩年來在大眾視野中比較突出的Spot系列機器人，MI的Cheetah系列機器人該系列機器人未將小腿的驅(qū)動電機集中到機身部位以通過連桿，傳送帶或者絲杠等其他機構(gòu)來驅(qū)動小腿[5]。其機器人關(guān)節(jié)采用的同意大利理工（IT）的HyQ系列機器人一樣的帶物理柔性驅(qū)動器（SEA)，機內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷+諧波減速器+柔性彈性體+輸出端編碼器該驅(qū)動器較為復(fù)雜且昂貴，但同時具備其他驅(qū)動器不可替代的優(yōu)點，由于驅(qū)動器中彈性體和諧波減速器的存在，此驅(qū)動器負(fù)載能力強，抗外界沖擊保護(hù)能力強。該優(yōu)點也非常符合ANYMAL作為面對工廠各種復(fù)雜，危險環(huán)境進(jìn)行操作的工業(yè)級機器人的設(shè)定[6]。圖1波士頓動力主要機器人產(chǎn)品圖2MIT的Cheetah系列四足機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)在四足機器人研究領(lǐng)域起步較晚，前期主要還是以高校研究為主。2011年國家在“863”計劃中提出了“高性能四足仿生機器人”的主題項目。隨后國內(nèi)的山東大學(xué)上海交通大學(xué)以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)等高校紛紛開始了四足機器人的研究[7]。隨著控制理論越來越成熟，近些年越來越多的公司也開始生產(chǎn)機器人所需的硬件，除此之外部分公司開始生產(chǎn)整機，使得機器人硬件成本逐年下降，這就使得越來越多的人成為四足機器人的消費者[8]。隨著國內(nèi)機器人開始推向國際市場，我國必然會在機器人發(fā)展上發(fā)揮出更大的作用。山東大學(xué)ScalfP的系列機器人，Scalf-i、Scalf-I采用了液壓驅(qū)動的方案，Scalf-it機器人站立時的總體尺寸為長1.0m，寬0.49m，高1.0m，重約123kg。同其他四足機器人一樣每條腿有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，續(xù)航時間約為40分鐘[9]。因為其利用液壓驅(qū)動的性質(zhì)，該機器人可以以1.28m/s的速度行走的同時負(fù)重50kg，上下斜度為10度的斜坡，還可以抵抗外部側(cè)向沖擊。因為用發(fā)動機作為動力源通過液壓驅(qū)動機器人，該機器人在行走時會產(chǎn)生較大的噪聲。圖3山東大學(xué)Scalf機器人宇樹科技有限公司由上海大學(xué)的王興興創(chuàng)立，在碩士研究生期間開發(fā)出的XDog小型電驅(qū)動機器人為后來的宇樹科技有限公司的Lailkago、Aliens四足機器人的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)[10]。Laikago的電機非常強勁，峰值扭矩可以達(dá)到38.5Nm，在國內(nèi)電機市場中處于領(lǐng)先地位，Laikaso推出時受到了國際上各大公司和科研機構(gòu)青，不乏有谷歌，英偉達(dá)，南京航空航天大學(xué)等大公司和科研機構(gòu)購買該機器人[11]。最新版的電驅(qū)動用先進(jìn)的模型預(yù)測控制加直接力控控制最大時速可以達(dá)到了3.3m/s的運動速度對比機型更大的機器，可以看出該機器人的運動能力非常卓越，在國內(nèi)處于最高時速同時機身前方搭載有深度相機，擁有紅外立體深度技術(shù)，足端擁有氣壓傳感器，融合阻抗控制算法可以更準(zhǔn)確地判斷足端是否觸地，穩(wěn)定而高效[12]。圖4宇樹科技四足機器人研究的發(fā)展趨勢和展望目前，傳統(tǒng)科學(xué)正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，新興科學(xué)已經(jīng)成為世界發(fā)展的主要動力。為了響應(yīng)世界科技發(fā)展的潮流，各國爭相提出科技興國戰(zhàn)略，由傳統(tǒng)科學(xué)向先進(jìn)智能制造轉(zhuǎn)型已成為必然趨勢。而四足機器人其發(fā)展將會呈現(xiàn)以下幾個特點：首先是結(jié)構(gòu)仿生化。靈活的肢體結(jié)構(gòu)和良好的動力系統(tǒng)是最基本的四足機器人硬件結(jié)構(gòu)，應(yīng)對生物運動模式進(jìn)一步剖析，盡可能地按照生物的尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。其次是穩(wěn)定性。研究側(cè)向穩(wěn)定性分析是四足機器人研究的一大挑戰(zhàn)，能真正實現(xiàn)自穩(wěn)定調(diào)節(jié)是四足機器人未來發(fā)展的一大方向，實現(xiàn)自穩(wěn)定調(diào)節(jié)需要在機器人上安裝有非常復(fù)雜的反饋系統(tǒng)以便于與環(huán)境進(jìn)行交互。再次是自主移動和導(dǎo)航由于復(fù)雜的地形環(huán)境具有未知和不可預(yù)測的特點，使機器人具有對未來動作狀態(tài)的預(yù)判和預(yù)演能力是實現(xiàn)機器人高效行走的重要方式，我們也相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，四足機器人的相關(guān)技術(shù)也會愈發(fā)先進(jìn)和完善。參考文獻(xiàn)[1]FujitaM,KitanoH.DevelopmentofanAutonomousQuadrupedRobotforRobotEntertainment[J].AutonomousRobots,1998.[2]KimuraH,YamashitaT,KobayashiS.Reinforcementlearningofwalkingbehaviorforafour-leggedrobot[C]//DecisionandControl,2001.Proceedingsofthe40thIEEEConferenceon.IEEE,2001.[3]MaS,TomiyamaT,WadaH.Omnidirectionalstaticwalkingofaquadrupedrobot[J].IEEETransactionsonRobotics,2005,21(2):152-161.[4]SeminiC,TsagarakisNG,GuglielminoE,etal.DesignofHyQ–ahydraulicallyandelectricallyactuatedquadrupedrobot[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartI:JournalofSystemsandControlEngineering,2011.[5]FujitaM,KitanoH.Developmentofanautonomousquadrupedrobotforrobotentertainment.KluwerAcademicPublishers,1998.[6]曲夢可,王洪波,榮譽.輪腿混合四足機器人六自由度并聯(lián)機械腿設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2017(11):29-37.[7]王斌銳,王濤,郭振武,等.氣動肌肉四足機器人建模與滑?？刂芠J].機器人,2017(5):7.[8]魏學(xué)帥.液壓四足機器人電液伺服作動器控制研究[D].哈爾濱理工大學(xué),2017.[9]朱秋國.淺談四足機器人的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀