縱懷志，張軍輝，張 堃，黃信菩，張 付，陸振宇，王西蒙，徐 兵

(1.浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027;2.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

引言

隨著液壓驅(qū)動、增材制造、逆向工程和智能控制等技術(shù)的高速發(fā)展，在叢林和山地環(huán)境中仍能背負(fù)物資并實(shí)現(xiàn)較為快速的行進(jìn)的高機(jī)動液壓四足機(jī)器人成為新的研究熱點(diǎn)。液壓四足機(jī)器人依靠其落足點(diǎn)離散，實(shí)現(xiàn)對地形的靈活適應(yīng)性的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于地形勘探、武器裝備、物資運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。如何學(xué)習(xí)動物的運(yùn)動機(jī)理，實(shí)現(xiàn)大自然哺乳動物的運(yùn)動模式，輔助人類在不能到達(dá)的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境和危害人身的區(qū)域開展作業(yè)，成為廣大學(xué)者研究方向。

美國軍方對四足機(jī)器人、無人機(jī)、無人裝甲車等領(lǐng)域不斷投入，引發(fā)了各國紛紛布局無人化作戰(zhàn)裝備領(lǐng)域。2015年12月，俄羅斯軍隊(duì)在敘利亞地面戰(zhàn)場上出動無人作戰(zhàn)平臺，碾壓式地取得戰(zhàn)役的勝利，將各國對無人化的研究推向高潮。無人作戰(zhàn)平臺常規(guī)裝備有裝甲車、小型無人機(jī)單兵等，裝甲車安全、載重性能優(yōu)良，但移動靈活性不足，對于島嶼、山地、叢林等高障礙復(fù)雜地形的通過性差；無人機(jī)運(yùn)動靈活、輕便，但負(fù)載及續(xù)航性能不足，作業(yè)能力有限。

高速四足機(jī)器人依靠其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，兼具快速靈活的運(yùn)動能力和較高的負(fù)載續(xù)航能力，可以彌補(bǔ)裝甲車與無人機(jī)這兩類作戰(zhàn)移動平臺的功能空隙，構(gòu)建系列完整、相互支援、互為補(bǔ)充的陸地近程作戰(zhàn)裝備體系。在集群通訊組網(wǎng)、能源中繼、狙擊突擊、偵察值守、快速運(yùn)載等方面作用顯著，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)被視為能夠降低戰(zhàn)斗減員、縮短戰(zhàn)斗周期的秘密武器，大局頹勢下更是能夠扭轉(zhuǎn)乾坤、左右戰(zhàn)局的不二之選，在未來新型作戰(zhàn)體系下成為中流砥柱。

本研究從機(jī)器人整機(jī)、液壓系統(tǒng)和控制策略3個(gè)方面綜述國內(nèi)外液壓四足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，對創(chuàng)新設(shè)計(jì)和前沿技術(shù)著重介紹，并展望了機(jī)器人未來的發(fā)展方向。

1 液壓四足機(jī)器人研究現(xiàn)狀

對液壓驅(qū)動四足機(jī)器人的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代后期，美國GE公司和美國陸軍移動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)了液壓四足卡車Walking Truck[1]，步行卡車通過采集駕駛員手、腳的動作信號，轉(zhuǎn)變成四足卡車的動作信號，從而驅(qū)動卡車跟隨駕駛員的意圖完成離散接觸行走，成為液壓四足機(jī)器人發(fā)展史上具有劃時(shí)代意義的開創(chuàng)者。

液壓四足機(jī)器人的發(fā)展史，留下濃墨重彩一筆的當(dāng)屬波士頓動力公司(Boston Dynamics)，在MARC Raibert教授的帶領(lǐng)下開始腿足式機(jī)器人的研究，經(jīng)過幾十年的工作積累和沉淀，開發(fā)出眾多震驚世界的機(jī)器人作品。作為液壓四足領(lǐng)域的初步探索，在美國DARPA計(jì)劃的資助下，BigDog應(yīng)運(yùn)而生，如圖1a1所示，并于2006年對外公開運(yùn)動視頻，可負(fù)重50 kg，最大速度可達(dá)1.6 m/s[2]。2年后，公開第二代BigDog，二維測試速度超過3.1 m/s[3]，適應(yīng)山坡、雪地、礫石等復(fù)雜環(huán)境。為實(shí)現(xiàn)更大的負(fù)載搬運(yùn)，又先后開發(fā)了Alpha Dog[4]和Legged Squad Support System (LS3)[5]，如圖1a2所示，負(fù)重超過150 kg，續(xù)航可達(dá)32 km，并能利用機(jī)載電腦對攝像頭看到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟隨，同時(shí)通過地形探測器與GPS導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)地形感知，規(guī)避障礙。

前述機(jī)器人雖然都完成了基本功能，但運(yùn)動速度和噪聲問題始終沒能突破。2012年，元件原創(chuàng)設(shè)計(jì)、軀干加入脊柱的Cheetah問世[6]，如圖1a3所示，在臺架樣機(jī)上的奔跑速度達(dá)到45.5 km/h，至今仍保持液壓四足的最高速度記錄。作為Cheetah在戶外的版本延伸，重磅推出WildCat機(jī)器人[7]，系統(tǒng)高度集成化，髖關(guān)節(jié)用獨(dú)擺動缸替換，并使用內(nèi)嵌液壓缸驅(qū)動膝關(guān)節(jié)，如圖1a4所示。WildCat實(shí)現(xiàn)了高速下的Bound步態(tài)和Gallop步態(tài)奔跑，行進(jìn)過程中可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和急停，最高奔跑速度約為25.7 km/h。

2015年2月，波士頓動力推出電液混合驅(qū)動的Spot四足機(jī)器人[8]，如圖1a5所示。犧牲負(fù)重能力來換取更低的噪聲和更高運(yùn)動靈活性，能夠在辦公室、草地、小山坡上漫步或小跑，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室對Spot機(jī)器人在城市街道、森林田野等環(huán)境下進(jìn)行了極其嚴(yán)苛的測試，極限續(xù)航可達(dá)45 min。

美國軍方對四足機(jī)器人的重視引起了世界上其他國家對液壓四足機(jī)器人研究的熱潮，其中最具代表性的當(dāng)屬意大利技術(shù)研究院(Italian Institute of Technology，IIT)和韓國工業(yè)技術(shù)研究院(Korea Institute of Industrial Technology，KITECH)。

IIT的DLS實(shí)驗(yàn)室從2007年春開始在CLAUDIO Semini的帶領(lǐng)下從單腿出發(fā)，歷經(jīng)三代樣機(jī)的更迭，公布了HyQ機(jī)器人[9-12]，如圖1b1所示。機(jī)器人由外部液壓站提供動力，側(cè)擺關(guān)節(jié)由高性能扭矩電機(jī)驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)由定制的液壓缸驅(qū)動，最高行進(jìn)速度可達(dá)2 m/s，且能夠抵抗一定程度的側(cè)向沖擊。2013年，改進(jìn)了髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器、液壓系統(tǒng)、電子元件的第三代HyQ被命名為HyQ-blue[13-14]，如圖1b2所示, 出售給蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院敏捷和靈巧機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，開展深度學(xué)習(xí)等方面的研究。

圖1 國內(nèi)外各團(tuán)隊(duì)液壓四足機(jī)器人Fig1. Hydraulic driven quadruped robot from domestic and foreign teams

借鑒了前述樣機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，IIT公布了HyQ2Max，HyQReal兩款機(jī)器人[15-19]，如圖1b3、圖1b4所示。機(jī)載液壓驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)由定制的擺動缸驅(qū)動，側(cè)擺關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)由和MOOG公司聯(lián)合開發(fā)的Integrated Servo Actuators(ISA)驅(qū)動，令人驚嘆的是其可以拖動3 t的飛機(jī)。和前幾代機(jī)器人相比，在負(fù)載特性、動態(tài)特性、結(jié)構(gòu)集成等方面都有較大的改進(jìn)，這離不開在液壓元件上的創(chuàng)新和控制算法的研究。2016年初，HyQ-Centaur雛形開發(fā)完成[20-21]，該版本在四足本體上加裝1個(gè)液壓機(jī)械臂，完成一定的作業(yè)任務(wù)，該項(xiàng)目最終目標(biāo)是安裝雙臂，如圖1b5所示。

韓國KITECH與韓國鐵路車輛領(lǐng)域久負(fù)盛名的現(xiàn)代Rotem公司合作研制了一種16自由度的四足機(jī)器人p2[22]，如圖1c1所示。模仿馬的骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單腿自由度數(shù)為4個(gè)，全部由液壓馬達(dá)驅(qū)動，對整機(jī)的緊湊結(jié)構(gòu)助力很大，但單腿過多的自由度數(shù)，使得整機(jī)的控制和高度運(yùn)動難以實(shí)現(xiàn)，需要框架輔助運(yùn)動。

除了p2外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了qRT-1和qRT-2[23]，如圖1c2、圖1c3所示，qRT-1具備12個(gè)自由度，均由直線缸驅(qū)動；qRT-2將qRT-1的后腿單元換成輪子，Trot步態(tài)下運(yùn)動速度可達(dá)1.3 m/s，爬坡高度可以到20°。Jinpoong作為該團(tuán)隊(duì)的大成之作[24]，如圖1c4所示，燃油發(fā)動機(jī)驅(qū)動泵，搭配使用直線缸和擺動缸，可以在未知環(huán)境中平穩(wěn)行走。

除上述團(tuán)隊(duì)外，日本東京工業(yè)大學(xué)廣瀨·茂男從1976年開始開展四足機(jī)器人的研究，從類似蜘蛛結(jié)構(gòu)的Kumo-Ⅰ,到泰坦系列機(jī)器人[25]，先后研制了十幾種四足機(jī)器人，被科研機(jī)構(gòu)作為研究四足機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺，極大促進(jìn)了四足機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。其中，液壓驅(qū)動四足機(jī)器人TITAN-Ⅺ成功應(yīng)用到混凝土邊坡的加固，在陡坡上鉆深孔、插錨或錨桿等場合，自主跨越15°的斜坡，能避障和在崎嶇陡峭的地方實(shí)現(xiàn)作業(yè)輔助，如圖1d所示。每條腿有3個(gè)自由度，在水平地面上可承受5200 kg的載荷。TITAN-Ⅺ可以基于地形信息估計(jì)出正確的步驟來導(dǎo)航斜坡框架,通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)控制機(jī)器人，并利用姿態(tài)傳感器反饋機(jī)器人的位置。

國內(nèi)液壓四足機(jī)器人的研究起步較晚，其中山東大學(xué)機(jī)器人研究中心作為一直在該領(lǐng)域投入的團(tuán)隊(duì)，成為國內(nèi)示范。該團(tuán)隊(duì)從2008年開始從一個(gè)單腿的變剛度控制開始研究，2010年在液壓驅(qū)動四足機(jī)器人研制方面取得了突破，成功研制了一臺簡易版的具有12個(gè)自由度的四足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)SCalf-1[26]，如圖1e1所示,外接液壓站，最高行走速度約為1.8 m/s，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)第一臺實(shí)現(xiàn)高速Trot步態(tài)行走的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人，并在2013年完成第一期的驗(yàn)收。驗(yàn)收后國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)給予了第二輪資助下，圍繞四足機(jī)器人繼續(xù)開展基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究，SCalf-2[27-30]樣機(jī)集成機(jī)載液壓動力系統(tǒng)，如圖1e2所示，可實(shí)現(xiàn)無外接泵站行走；SCalf-3[31-33]集成環(huán)境感知系統(tǒng)，如圖1e3所示，可實(shí)現(xiàn)自主行走。目前，該團(tuán)隊(duì)正積極開展純液壓、電液混合型四足機(jī)器人的開發(fā)，并加裝機(jī)械臂，完成一定的作業(yè)任務(wù)，如圖1e4、圖1e5所示。據(jù)悉，加裝雙臂的液壓四足機(jī)器人已經(jīng)完成基礎(chǔ)功能的驗(yàn)證，利用全身控制理論實(shí)現(xiàn)物體的抓取，負(fù)載20 kg左右，速度上限也有所提高，具體數(shù)值不詳。

同批863計(jì)劃還資助了哈爾濱工業(yè)大學(xué)李滿天團(tuán)隊(duì)[34-38]、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬宏緒團(tuán)隊(duì)[39-42]、北京理工大學(xué)王軍政團(tuán)隊(duì)[43-47]、上海交通大學(xué)高峰團(tuán)隊(duì)[48-50]開展液壓四足機(jī)器人的研究，樣機(jī)如圖1f～圖1i所示。部分樣機(jī)在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人的基本功能，但是運(yùn)動性能與國外還有較大差距。

近年來也有其他單位加入了液壓四足機(jī)器人的研究行列，2016年，陸軍推出了“跨越險(xiǎn)阻”挑戰(zhàn)賽，北方車輛研究所的“鐵牛”液壓四足機(jī)器人以其卓越的性能獲得腿足組競賽第一名[51]，如圖1j所示。華中科技大學(xué)先后研制了兩代液壓驅(qū)動四足機(jī)器人Hust-Dog[52-55]，在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和柔順控制做出一定的成績，如圖1k1、圖1k2所示。哈爾濱理工大學(xué)邵俊鵬團(tuán)隊(duì)[56-57]、江蘇集萃智能制造、燕山大學(xué)[58-61]等也有四足樣機(jī)公布，如圖1l～圖1n所示。此外合肥智能機(jī)械研究所、浙江大學(xué)金波團(tuán)隊(duì)[62-64]在液壓單足的控制上有所研究，部分團(tuán)隊(duì)搭建了四足的樣機(jī)，但未對外公開。

毋庸置疑，國內(nèi)四足機(jī)器人雖取得一定成績，但在運(yùn)動速度、核心元件性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成技術(shù)、運(yùn)動控制算法等方面與國外還有較大差距，需要長期在基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)上投入。

2 機(jī)載液壓動力系統(tǒng)

作為機(jī)器人動力的主要來源，機(jī)載液壓動力系統(tǒng)承載著供能和能量分配功能，也是產(chǎn)生噪聲和熱量的主要來源，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性直接決定整機(jī)的運(yùn)動性能。

2.1 動力來源和系統(tǒng)類型

絕大多數(shù)液壓四足機(jī)器人依靠泵來輸送高壓油到執(zhí)行器，而驅(qū)動泵的原動機(jī)可以分為內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)兩種，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)一般相對復(fù)雜，需要配備排氣管等，轉(zhuǎn)速難以準(zhǔn)確控制，導(dǎo)致噪聲大，能量效率低，但是由于燃油的高能量密度，可以實(shí)現(xiàn)較長的續(xù)航時(shí)間；電機(jī)驅(qū)動方案簡單，噪聲小，發(fā)熱量相對較少，但是電池的能量密度低，相同的續(xù)航時(shí)間需要更大的尺寸，無疑給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕量化帶來困難。

按照液壓系統(tǒng)類型，機(jī)器人液壓系統(tǒng)可分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)散熱和沉淀雜質(zhì)的目的，油箱的容量一般數(shù)倍于所需流量，大大增加了系統(tǒng)的重量；閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對緊湊，在封閉的管路中進(jìn)行循環(huán)，但熱量不能及時(shí)散出，需增加油冷設(shè)備，還需設(shè)置正壓油箱增加泵吸油口的壓力，防止吸空。

2.2 液壓回路

雖然泵控系統(tǒng)的效率上限更高，通過變轉(zhuǎn)速或變排量以適應(yīng)負(fù)載需要，避免了節(jié)流閥的能量損失，節(jié)能效果顯著，但響應(yīng)速度不如閥控系統(tǒng)，故研究多圍繞基于閥控系統(tǒng)的效率展開。

液壓四足機(jī)器人最常用的閥控系統(tǒng)如圖2a所示，BigDog、Scalf[65]、鐵牛[51]等四足機(jī)器人均采用此原理，機(jī)器人機(jī)載動力系統(tǒng)如圖2b所示，發(fā)動機(jī)帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)給整個(gè)系統(tǒng)提供壓力油，從閥塊分流到各個(gè)執(zhí)行器；伺服閥通過調(diào)整閥芯位置，供給執(zhí)行器所需的流量；蓄能器用來參與到部分瞬時(shí)大流量的工況。

圖2 機(jī)載液壓動力系統(tǒng)液壓回路Fig.2 Hydraulic circuit of onboard power system

北方車輛研究所無人系統(tǒng)研究中心和國防科技大學(xué)尚建忠團(tuán)隊(duì)[66]均提出了高、低壓兩級液壓系統(tǒng)，利用開關(guān)閥和控制器完成不同工況下的流量切換，閥控系統(tǒng)效率顯著提高，如圖2c、圖2d所示。腿部的不同關(guān)節(jié)因結(jié)構(gòu)布置的不同導(dǎo)致受力不同，勢必存在能量浪費(fèi)的情況，配備1個(gè)小容量蓄能器，儲存能量，減小波動；主泵為大流量變量泵，始終工作，為系統(tǒng)補(bǔ)充液壓油。該高、低壓兩級液壓系統(tǒng)工作時(shí)，使負(fù)載壓力低、流量大時(shí)液壓閥產(chǎn)生的熱量顯著降低，整機(jī)液壓系統(tǒng)的能量利用率提高了50%。高、低壓切換時(shí)，產(chǎn)生速度突變，對機(jī)器人控制策略提出了挑戰(zhàn)。

考慮到高速開關(guān)閥啟閉快、價(jià)格低廉、抗污染能力強(qiáng)，許多學(xué)者提出傳統(tǒng)伺服閥或比例閥可以用高速開關(guān)閥和數(shù)字閥來代替，GUGLIELMINO E等[67]提出用高速開關(guān)閥組成降壓式液壓變換器(Hydraulic Buck Converter，HBC)控制四足機(jī)器人，如圖2e所示。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，HBC系統(tǒng)相比于常規(guī)的閥控系統(tǒng)可以節(jié)能75%[68]，價(jià)格低，且在油液污染上魯棒性更好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和質(zhì)量均較大。同樣，國防科技大學(xué)尚建忠團(tuán)隊(duì)[69]也提出用高速開關(guān)閥代替比例閥，用PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號調(diào)節(jié)開關(guān)閥占空比對負(fù)載口進(jìn)行流量獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載口單向節(jié)流，省去不必要的節(jié)流損失。香港理工大學(xué)彭鵬等[70]將不同的數(shù)字閥液壓系統(tǒng)應(yīng)用到機(jī)器人上，系統(tǒng)原理如圖2f所示，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在Walk步態(tài)和Trot步態(tài)下運(yùn)行時(shí)，液壓系統(tǒng)的效率相比于伺服閥系統(tǒng)顯著提高。

2.3 液壓輔件

液壓輔件作為機(jī)載動力系統(tǒng)的重要組成部分，通過蓄能器提供瞬時(shí)流量，并減小壓力脈動和壓力沖擊；通過油品質(zhì)傳感器、溫度、壓力傳感器等在四足機(jī)器人高動態(tài)運(yùn)動中保障油品質(zhì)量，提供溫度、壓力預(yù)警等功能。輔件數(shù)量多，重量占比大，以BigDog為例，公開數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)冷卻器的質(zhì)量為4.36 kg，是液壓泵的1.5倍；蓄能器、過濾器、流量計(jì)等的重量也不容忽視。

3 液壓執(zhí)行元件

作為驅(qū)動機(jī)器人的最基本單元，有關(guān)伺服執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和控制研究層出不窮，液壓四足機(jī)器人每條腿的主動關(guān)節(jié)由2～4個(gè)伺服執(zhí)行器驅(qū)動，其性能直接決定了機(jī)器人的負(fù)載能力和動態(tài)性能。

3.1 直線驅(qū)動

直線缸是當(dāng)下機(jī)器人最常采用的方式，通過驅(qū)動連桿輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)單腿各關(guān)節(jié)的擺動。

BigDog，近代液壓四足機(jī)器人的先驅(qū)，采用集成式伺服直線缸的形式驅(qū)動各關(guān)節(jié)，直線缸集成了MOOG E024閥、單軸拉壓力傳感器、LVDT位移傳感器和低摩擦液壓缸，2006版和2008版的執(zhí)行器如圖3a1、圖3a2所示，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足機(jī)器人安裝空間受限、大輸出力的需求。在伺服直線缸的驅(qū)動下，機(jī)器人可以爬35°斜坡，負(fù)重45 kg行走，最快移動速度可達(dá)6.4 km/h，引領(lǐng)了液壓足式機(jī)器人的熱潮，可以推測LS3的執(zhí)行器也是類似的結(jié)構(gòu)形式。

集成后電液伺服閥與液壓執(zhí)行器之間的距離縮短，閥控缸單元產(chǎn)生的熱量可以及時(shí)帶回油箱，保證執(zhí)行器性能，還能減少液壓管路容積油液膨脹，有利于提高執(zhí)行器的動態(tài)響應(yīng)，另外，同側(cè)的進(jìn)出油口更利于油管的布放。

山東大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、江蘇集萃智能制造、韓國工業(yè)技術(shù)科學(xué)院的液壓四足機(jī)器人采用類似BigDog執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式，只是選用的傳感器的原理不同，如圖3b1～圖3g所示，利用噴嘴擋板式的伺服閥實(shí)現(xiàn)高頻響控制，拉壓力傳感器和位移傳感器提供輸出力和位置的反饋信號，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)動性能。

IIT的DLS實(shí)驗(yàn)室的HyQ采用Hoerbiger成品液壓缸，僅在活塞桿上加裝拉壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)輸出力的測量，如圖3h所示，伺服閥安裝在軀干上，關(guān)節(jié)的位置信息依靠各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的編碼器測量。華中科技大學(xué)的執(zhí)行器原理和HyQ基本相同，如圖3i所示。

上海交通大學(xué)研制的四足機(jī)器人“小象”從元件設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種混合驅(qū)動伺服直線缸“Hy-Mo”，將電機(jī)、閥芯、閥套和缸筒高度集成在一起，如圖3j所示，伺服電機(jī)直接驅(qū)動閥芯控制開口的開度，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的高頻控制，這種融合設(shè)計(jì)的方式節(jié)省了部分結(jié)構(gòu)件的重量，外形更加緊湊，同時(shí)具備較高的抗污染能力。

國防科技大學(xué)尚建忠團(tuán)隊(duì)[71]設(shè)計(jì)了一種可變活塞有效面積的新型液壓缸，可以提高液壓系統(tǒng)的效率，如圖3k所示，該液壓缸具有多個(gè)柱塞腔，可以通過開關(guān)閥控制其與液壓主系統(tǒng)的通斷，通過改變有效面積使機(jī)器人來平衡執(zhí)行器的負(fù)載壓力的不同，減少節(jié)流損失，有效減少了系統(tǒng)的能量消耗。

隨著液壓四足機(jī)器人高速化的需求日益突出，對元件提出了更高的要求，期待更高階的集成化和輕量化。

IIT的DLS實(shí)驗(yàn)室在完成初代HyQ設(shè)計(jì)之后，開始關(guān)注元件層面的研究，聯(lián)合美國穆格公司、英國巴斯大學(xué)對集成化的伺服執(zhí)行器進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮穆格公司在控制閥領(lǐng)域的優(yōu)勢及巴斯大學(xué)在增材制造工藝和流道設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一款高度集成的智能液壓執(zhí)行器(ISA)，伺服閥、溢流閥、位移傳感器、壓力傳感器等全部組件都集成到增材制造制成的鈦合金缸筒上，如圖3l1、圖3l2所示，可以對執(zhí)行器進(jìn)行壓力感應(yīng)、位置檢測和閉環(huán)控制，兩級液壓伺服閥和優(yōu)化后壓力損失更小的流道幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更高動態(tài)的運(yùn)動。目前公開的版本分別是ISA v2和v5[72]，特性參數(shù)如表1所示，前者被用到單腿控制臺和HyQ的改造上，實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果； 后者加裝到HyQReal和HyQ2Max上，并成功拖動3 t的飛機(jī)，展示了其強(qiáng)大的動力輸出，但該執(zhí)行器的市場價(jià)格十分昂貴，超過15萬元。

圖3 國內(nèi)外各團(tuán)隊(duì)直線液壓執(zhí)行器Fig.3 Linear hydraulic actuators from domestic and foreign teams

表1 智能執(zhí)行器ISA v2和v5主要參數(shù)Tab.1 Parameters of ISA v2 and v5

山東大學(xué)機(jī)器人中心憑借多年的工程積累，提出一種缸腿一體化方案，通過將大腿結(jié)構(gòu)件和膝關(guān)節(jié)液壓缸集成到一起實(shí)現(xiàn)輕量化，并通過內(nèi)部流道實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)驅(qū)動的無管化，如圖3m所示，單體重量減少30%，單腿減重10%，輕量化效果顯著，但是成本也成倍增加。類似地，燕山大學(xué)孔祥東教授團(tuán)隊(duì)對缸腿一體化關(guān)節(jié)進(jìn)行研究，并開發(fā)出一體化驅(qū)動單元，如圖3n1、圖3n2所示，在腿部關(guān)節(jié)輸出功率大于HyQ2Max的情況下，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)分別減重11%和7%，成本增加不詳。

浙江大學(xué)徐兵教授團(tuán)隊(duì)[73-75]的四足機(jī)器人采用非金屬材料替代的方式進(jìn)行輕量化，經(jīng)過3代碳纖維液壓缸的迭代，完成了“模型設(shè)計(jì)-仿真校核-自動化加工-后處理”整套工藝探索，集成了位移和拉壓力傳感器，如圖3o所示，較同等規(guī)格的鋼制液壓缸，重量減輕40%，效果顯著。以重量減少量作為輸入，在Trot步態(tài)下，對四足樣機(jī)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)對整機(jī)的運(yùn)動性能和能量消耗均有明顯提升。

3.2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動

旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器因其結(jié)構(gòu)緊湊受到部分研究團(tuán)隊(duì)的歡迎，但其功率密度不如直線驅(qū)動，多用在側(cè)擺關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)較緊湊的設(shè)計(jì)。

IIT的MiniHyQ 采用法國DS Dynatec公司的單葉片式擺動缸，如圖4a所示，提供60 N·m的扭矩輸出，擺動范圍可達(dá)220°，利用絕對式編碼器測量關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)位置，利用扭矩傳感器測量輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)位置控制和力控制。DLS團(tuán)隊(duì)的HyQ2Max在雙葉片式擺動缸上集成了增材制造加工的智能閥、編碼器和力矩傳感器，如圖4b所示，擺動范圍為100°，額定輸出扭矩為170 N·m，質(zhì)量僅為2.1 kg。值得注意的是，該伺服擺動缸在250 N·m的外部沖擊下仍能保持穩(wěn)定，為機(jī)器人整機(jī)拖拽3 t的飛機(jī)提供保障。

韓國科學(xué)技術(shù)研究院應(yīng)用機(jī)器人部門開發(fā)了一款16自由度的液壓四足機(jī)器人p2，關(guān)節(jié)全部由伺服擺動缸驅(qū)動，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)0.8 m/s的運(yùn)動速度。經(jīng)過幾代樣機(jī)的積累，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了四足機(jī)器人Jinpoong，側(cè)擺關(guān)節(jié)由韓國KNR公式的高功重比擺動缸實(shí)現(xiàn)，如圖4c所示，通過英國Star液壓公司的伺服閥進(jìn)行控制，擺動范圍±70°，在21 MPa壓力下，輸出扭矩可達(dá)400 N·m，按照該公司成熟產(chǎn)品的功重比推算，單體質(zhì)量5.0 kg左右。

浙江大學(xué)徐兵教授團(tuán)隊(duì)利用柱塞式液壓缸的概念，提出一種新型的柱塞擺動缸，如圖4d所示，通過2個(gè)直線缸和異形凸輪實(shí)現(xiàn)擺動，結(jié)構(gòu)十分緊湊的同時(shí)，輸出扭矩可達(dá)180 N·m，以該擺動缸參數(shù)進(jìn)行四足整機(jī)的仿真，同等工況下，比傳統(tǒng)直線缸驅(qū)動的平均流量減少30%。此外，團(tuán)隊(duì)對螺旋擺動缸創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如圖4e所示，大幅度降低了其啟動摩擦的同時(shí)，力重比顯著提高，可達(dá)600 N·m/5.2 kg，和團(tuán)隊(duì)開發(fā)的雙葉片式擺動缸功重比接近，如圖4f所示，后續(xù)計(jì)劃用到團(tuán)隊(duì)的下一代四足樣機(jī)上。

圖4 國內(nèi)外各團(tuán)隊(duì)伺服擺動缸Fig.4 Rotary hydraulic actuators from domestic and foreign teams

4 控制策略

近年來，機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展迅速，有關(guān)四足機(jī)器人研究的論文也層出不窮，關(guān)于其整機(jī)的控制方法也有多種，目前常用于液壓四足的控制方法主要有CPG，VMC，MPC，WBC 4種方法，下面依次對各種控制方法進(jìn)行簡要的介紹。

4.1 CPG

KIMURA H等[76]提出的中樞神經(jīng)發(fā)生器(Central Pattern Generator，CPG)是一種基于生物神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制的控制方法，在四足機(jī)器人的控制上得到了廣泛的運(yùn)用。該方法通過對動物的運(yùn)動控制區(qū)CPG進(jìn)行工程模擬，在機(jī)器人系統(tǒng)上體現(xiàn)生物的神經(jīng)中樞控制、生物反射等一系列的生物特征而構(gòu)造多個(gè)具有周期性的神經(jīng)振蕩器，通過協(xié)調(diào)各振蕩器輸出具有一定節(jié)律運(yùn)動的關(guān)節(jié)軌跡。

IIT的BARASUOL V等[77]提出了任務(wù)空間的基于CPG的軌跡生成方法，使得足端軌跡和機(jī)身姿態(tài)可以依據(jù)不同地形做出調(diào)整，該控制方法的有效性在HyQ上得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨后，其團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上基于CPG方法在HyQ上成功實(shí)現(xiàn)了flying trot步態(tài)[78]。國內(nèi)液壓四足基于CPG的控制方法研究主要集中于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，王婷婷等[79]提出并建立了一種多層CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人關(guān)節(jié)的穩(wěn)定節(jié)律運(yùn)動控制，在仿真平臺和實(shí)體樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，該控制方法能夠獨(dú)立控制機(jī)器人在未知的復(fù)雜環(huán)境中生成節(jié)律性運(yùn)動，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性；楊園園等[80]構(gòu)建了引入反射協(xié)調(diào)的多層CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了原地踏步和行走步態(tài)的實(shí)驗(yàn)。

采用CPG算法在機(jī)器人的軌跡生成與步態(tài)切換上有天然的優(yōu)勢，能夠有效的解決在低速情況下四足機(jī)器人多關(guān)節(jié)腿的運(yùn)動耦合問題。但該控制算法較為復(fù)雜、參數(shù)眾多，設(shè)計(jì)出合理實(shí)用的節(jié)律運(yùn)動函數(shù)并不容易，且該算法參數(shù)與機(jī)器人動力學(xué)特性之間的作用機(jī)制不明確，調(diào)節(jié)存在一定的困難。

表2 不同控制算法介紹Tab.2 Comparison of different control strategies

4.2 VMC

虛擬模型控制(Virtual Model Control，VMC)最早由麻省理工學(xué)院腿部實(shí)驗(yàn)室的JERRY P[81-82]提出，最初用于雙足機(jī)器人的控制，其基本思想是，假設(shè)控制對象與“彈簧-阻尼”虛擬模型串聯(lián)，當(dāng)控制對象與期望目標(biāo)值發(fā)生偏差時(shí)會通過虛擬模型產(chǎn)生相應(yīng)的虛擬力，通過調(diào)節(jié)虛擬力保持控制對象始終遵循目標(biāo)值。

IIT的HAVOUTIS I等[83]通過VMC方式，將機(jī)器人的一條腿等效成虛擬“彈簧-阻尼”模型，通過改變模型參數(shù)主動控制腿部阻抗，實(shí)現(xiàn)了最大速度0.7 m/s的Trot步態(tài)運(yùn)動。國內(nèi)山東大學(xué)、國防科技大學(xué)基于此方法展開了相關(guān)研究，并分別于實(shí)體液壓機(jī)器人Scalf、鐵馬上完成了試驗(yàn)驗(yàn)證[84-85]。

虛擬模型控制思想簡單直觀，不涉及復(fù)雜的動力學(xué)內(nèi)容，理論上可以使得機(jī)器人的運(yùn)動趨近于任意虛擬模型(或元件)的動力學(xué)特性，選擇符合四足機(jī)器人本身運(yùn)動學(xué)規(guī)律的虛擬模型至關(guān)重要。

4.3 MPC

模型預(yù)測控制(Model Predictive Control,MPC)。MPC方法在單足[86]、雙足[87-88]、四足[89]機(jī)器人上都有應(yīng)用，其基本思想是，依據(jù)已知的預(yù)測模型，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測未來一段時(shí)域的狀態(tài)，然后根據(jù)某一性能指標(biāo)，將問題轉(zhuǎn)化為包含預(yù)測值在內(nèi)的最優(yōu)化求解問題，最后將求解結(jié)果序列第一個(gè)值作用于被控對象。

NEUNERT M等[14]提出了全身非線性模型預(yù)測控制(NMPC)方法，采用了包含接觸動力學(xué)在內(nèi)的全身動力學(xué)模型，接觸位置、接觸序列及時(shí)間均通過優(yōu)化求解器求解，該控制器能以190 Hz的頻率在實(shí)際四足機(jī)器人上運(yùn)行。MAGANA O A V等[90]基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)實(shí)現(xiàn)對未知地形的估計(jì)并提供安全落足點(diǎn)的位置，此落足點(diǎn)位置提供給MPC控制器以優(yōu)化地面反作用力，該控制策略有效性通過對HyQReal仿真得到了驗(yàn)證[91]。山東大學(xué)陳騰等[92]對MPC方法展開了研究，通過Webots仿真驗(yàn)證了Trot，Bound，Gallop等步態(tài)的穩(wěn)定運(yùn)用以及對地形的魯棒性。

MPC在使用中主要考慮模型準(zhǔn)確度和計(jì)算能力是否能夠滿足2個(gè)方面，雖然近年來計(jì)算機(jī)越來越強(qiáng)大，優(yōu)化算法的效率也更加高效，但高動態(tài)運(yùn)動需要的計(jì)算能力還是限制MPC應(yīng)用的主要問題。

4.4 WBC

全身控制器(Whole Body Controller,WBC)是近年提出的一種控制思路，按照這種思想設(shè)計(jì)的控制器能夠通過簡單調(diào)整實(shí)現(xiàn)機(jī)器人環(huán)境約束下的多任務(wù)功能。WBC有多種種類，總體可概括為以下幾類：基于QP的WBC方法[93]、基于零空間映射(NSP)的WBC方法[94]、具有任務(wù)優(yōu)先級權(quán)重的QP(HQP)方法[95]及QP和NSP結(jié)合的方法[96]。

ACEITUNO B等[97]使用混合整形凸優(yōu)化(MICP)公式同時(shí)規(guī)劃接觸位置、步態(tài)模式和運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了HyQ在多種復(fù)雜地形上的運(yùn)動。FAHMI S等[98]使用基于QP的WBC方法，考慮了機(jī)器人整機(jī)動力學(xué)、驅(qū)動極限、關(guān)節(jié)極限及接觸的相互作用，并在HyQ上進(jìn)行了不同地形條件和步態(tài)的試驗(yàn)驗(yàn)證。MASTALLI C等[99]使用了基于QP的WBC方法，將地形建模為成本地圖，該控制框架將機(jī)身運(yùn)動、步態(tài)規(guī)劃和地形圖耦合在一起，同樣在HyQ上進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了在滿足動力學(xué)、扭矩限制、不打滑的情況下對機(jī)身運(yùn)動的跟蹤。RAIOLA G等[100]基于HQP的WBC方法提出了一種不需要規(guī)劃質(zhì)心軌跡的通用運(yùn)動框架，既能實(shí)現(xiàn)高速步態(tài)，也能實(shí)現(xiàn)靜步態(tài)，并在不同模擬地形上進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)階段WBC主要圍繞任務(wù)的優(yōu)先級分配、控制器魯棒性和求解高效性方面來開展研究。基于WBC控制的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人多任務(wù)運(yùn)動能力，而缺點(diǎn)是需要大量的優(yōu)化求解運(yùn)算，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制是難點(diǎn)。

5 發(fā)展方向

當(dāng)下，液壓四足機(jī)器人承載著人們對伺服液壓的期待，集中了高頻響的伺服閥、低摩擦的伺服缸、智能控制算法等眾多頂尖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡單的低速行走已經(jīng)無法滿足人們的期待，實(shí)現(xiàn)超越人類的高速奔跑和高爆發(fā)的運(yùn)動能力成為必然趨勢。但噪聲大、能量轉(zhuǎn)化率低、結(jié)構(gòu)冗雜等問題始終制約著性能的進(jìn)一步提升。新原理和新控制方法不斷出現(xiàn)，將從以下方面提升液壓四足機(jī)器人的各項(xiàng)性能。

5.1 機(jī)載動力系統(tǒng)的高速化和高壓化

現(xiàn)有的液壓四足機(jī)器人的壓力等級多在21 MPa以內(nèi)，泵轉(zhuǎn)速在6000 r/min左右，并未完全發(fā)揮出液壓系統(tǒng)高功率密度的優(yōu)勢。對飛機(jī)液壓系統(tǒng)的分析指出，當(dāng)壓力從21 MPa增加至28 MPa時(shí)，重量降低2.46%，體積減小13.8%；從21 MPa增加至35 MPa時(shí)，重量降低12.2%，體積縮小28.3%?？梢灶惐韧扑愕氖牵瑢τ?2自由度的液壓四足機(jī)器人而言，當(dāng)壓力從21 MPa增加至28 MPa時(shí)，液壓缸減重8%，液壓系統(tǒng)減重5%，效果顯著。

高速化的輕量化效果也十分顯著，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1500 r/min提升到10000 r/min,液壓泵的質(zhì)量降低88%。同時(shí)，高速電機(jī)、高頻響控制閥[101]等上下游元件的快速發(fā)展使機(jī)載液壓系統(tǒng)的高速高壓化成為可能，也將實(shí)現(xiàn)更加集成化和模塊化的機(jī)載動力系統(tǒng)。

5.2 元件一體化和輕量化

作為機(jī)器人最基本的單元，元件性能的好壞直接決定了機(jī)器人性能。增材制造技術(shù)的進(jìn)步賦予液壓元件更大的活力，市場上也涌現(xiàn)出許多優(yōu)秀的產(chǎn)品，如IIT和MOOG聯(lián)合開發(fā)的ISA，Domin伺服閥等，通過一體化和新工藝提升了元件的輕量化水平[102]。

未來，電機(jī)-泵、閥-閥塊-執(zhí)行器、執(zhí)行器-結(jié)構(gòu)件等一體化設(shè)計(jì)勢必為液壓四足帶來新的發(fā)展，重量減輕的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更加緊湊、美觀的設(shè)計(jì)。此外，蓄能器、增壓油箱等輔件的輕量化也十分值得研究，可以通過非金屬材料替代、隨形制造等手段嘗試實(shí)現(xiàn)。

5.3 新型的散熱、節(jié)能和降噪系統(tǒng)

目前四足機(jī)器人上使用的油冷卻器大且重，限制了軀干的設(shè)計(jì)，而其散熱水平又直接影響機(jī)器人的性能，如何準(zhǔn)確地估算系統(tǒng)的產(chǎn)熱情況成為重點(diǎn)。新型冷卻方式的遷移應(yīng)用，如半導(dǎo)體制冷、熱管等，將系統(tǒng)的溫升保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，從而保障機(jī)器人的正常運(yùn)行。

對于液壓四足機(jī)器人低效率的缺點(diǎn)，前人已經(jīng)提出了包括高低壓供給系統(tǒng)等在內(nèi)的許多解決方案。而針對高輸出和低輸出交替出現(xiàn)的節(jié)律性工況分析不足，后續(xù)可在節(jié)能回路的設(shè)計(jì)上尋求創(chuàng)新，利用蓄能器[103]、超級電容等儲能元件，回收部分能量，并融合多傳感器策略實(shí)現(xiàn)負(fù)載預(yù)測，從而降低系統(tǒng)輸出。

液壓四足機(jī)器人的噪聲主要來自發(fā)動機(jī)和油冷卻器的風(fēng)扇，噪聲水平達(dá)到80 dB，接近飛機(jī)座艙的噪聲。電池-高功率密度電機(jī)替換發(fā)動機(jī)雖然能夠降低噪聲，但帶來的續(xù)航問題也不容忽視，需要進(jìn)一步研究。

值得注意的是，散熱、節(jié)能和降噪三者并不是獨(dú)立的問題，需要從整個(gè)系統(tǒng)的角度去選擇最優(yōu)的方案。

5.4 智能算法的應(yīng)用

領(lǐng)航員跟隨、簡單的負(fù)載預(yù)測等簡單智能化已經(jīng)成為歷史，機(jī)器人具備像人一樣的思考學(xué)習(xí)能力，在訓(xùn)練中實(shí)現(xiàn)進(jìn)化和自主控制決策能力的進(jìn)一步提升，在未知的環(huán)境和不可預(yù)估的場景下，體現(xiàn)更高階的智能，從被動的學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)不斷轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)智能自涌現(xiàn)，通過群體協(xié)調(diào)與自組織機(jī)制確保任務(wù)的順利完成。

6 結(jié)論

(1) 本研究從液壓四足機(jī)器人在高功率密度、速度上限高、負(fù)載能力強(qiáng)方面的優(yōu)勢出發(fā)，介紹了各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的液壓四足機(jī)器人，對不同團(tuán)隊(duì)機(jī)器人的機(jī)載動力系統(tǒng)進(jìn)行歸納概括，并對新型的動力系統(tǒng)進(jìn)行介紹；隨后從直線驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動2個(gè)維度對機(jī)器人伺服執(zhí)行器進(jìn)行闡述；最后分析了液壓四足機(jī)器人常用的控制方法，并展望了其未來的主要發(fā)展方向；

(2) 本研究詳細(xì)闡述了機(jī)載液壓動力系統(tǒng)、伺服執(zhí)行器和控制策略，對機(jī)器人元件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制均具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值，相信在不久的將來，通過上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同，結(jié)構(gòu)上高集成，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人極致輕量化；開發(fā)出高效的機(jī)載動力系統(tǒng)，配合先進(jìn)的控制算法，保證環(huán)境適應(yīng)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高爆發(fā)輸出、高動態(tài)性能。