四足机器人机械结构设计.docx

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四足机器人机械结构设计

摘要

四足机器人在19世纪就有研究记录，但无论是机械结构还是控制因受到技术的束缚，到20世纪末，才有了突破性的进展。

四足机器人的应用很广，现在已经在军事上得到应用，推广民用也只是时间问题。

它以其能适应各种复杂地形以及能承载一定负重而优于轮式机器人。

在国外，也已经开始在物流行业应用四足机器人。

现在国内也掀起了四足机器人的研究热潮，以宇树科技为首的一大批公司在前后发布四足机器人量产及推出市场的信息。

本课题四足机器人机械结构设计主要是从简单的四足机器人结构入手，在原有的八自由度的基础上，优化八自由度的方案，得到其中的经验，为十二自由度的四足机器人的设计打下基础。

并且提供一个廉价的八自由度四足机器人的设计方案，能在一定程度上降低四足机器人在中国高校的研究门槛。

关键词：

四足机器人；电控制；测试与仿真；同步轮计算

Abstract

Quadrupedrobotshavebeenstudiedinthe19thcentury,butitwasnotuntiltheendofthe20thcenturythatbreakthroughsweremadeintermsofmechanicalstructureandcontroltechnology.Quadrupedrobothasbeenwidelyusedinmilitary,anditisonlyamatteroftimebeforeitispopularizedincivilian.Itisbetterthanwheeledrobotbecauseitcanadapttovariouscomplexterrainandcancarrycertainload.Inforeigncountries,quadrupedrobotshavebeenappliedinthelogisticsindustry.NowthereisalsoaupsurgeofresearchonquadrupedrobotsinChina.AlargenumberofcompaniesledbyYushutechnologyhavereleasedinformationaboutmassproductionandmarketlaunchofquadrupedrobotsaroundtheworld.

Inthispaper,themechanicalstructuredesignofquadrupedrobotismainlybasedonthesimplestructureofquadrupedrobot.Onthebasisoftheoriginaleightdegreesoffreedom,theeightdegreesoffreedomschemeisoptimized,andtheexperienceisgained,whichlaysthefoundationforthedesignoftwelvedegreesoffreedomquadrupedrobot.Andprovideacheapdesignschemeof8-DOFquadrupedrobot,whichcanreducetheresearchthresholdofquadrupedrobotinChineseuniversitiestoacertainextent.

Keywords:

Quadrupedrobot;Electriccontrol;Opticaltorquesensor;Testandsimulation;Synchronouswheelcalculation

1.引言

1.1研究意义

足式机器人未来的发展前景很大，它除了能应用在军事、航空探索领域上以外（例如扫雷排雷、运输物资等），还能在物流行业（外卖配送、快递运输等）、教育行业（硬件的学习以及功能、算法的开发等）还有智能家电等行业占有一席之地。

随着技术的不断发展，能以四足机器人作为平台并在这平台上搭建其他系统（如机械手、激光雷达等），丰富其功能，四足机器人的功能会越来越多，普及越来越广。

虽然现在国内也有研究四足机器人的高校和企业，但是四足机器人的技术瓶颈仍有很多，国内暂时距离波士顿动力或MIT的技术仍有一段比较长的距离。

目前各国研究足式机器人大多是在军事项目上，所以需要具备强劲的运动性能，以液压伺服系统最为常见。

但是液压系统价格昂贵，将其商业化具有一定难度，所以民用四足机器人普遍是以电机电力驱动为主。

研究电机电力驱动的四足机器人的极致到最后肯定是到电机的研发上，针对各关节的受力与使用情况不同研发更具备针对性的电机作为动力源。

但是目前我仍未具备自主研发电机的水平，只能尝试优化其机械结构，使得机械更加可靠，更加轻便，争取能成为国内首位开源造价较低的8自由度四足机器人。

有时间可以触摸12自由度的门槛。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究概况

哺乳动物类足式机器人的研究从上个世纪60年代开始飞速发展。

从仿生学的角度，可以将足式机器人分为双足仿生机器人、四足机器人及多足机器人。

其中以波士顿动力公司最具代表性。

他们研制的BigDog机器人采用高度集成化的液压伺服系统作为动力源，所以其具备强劲的运动性能。

美国军方将BigDog应用在物资运输上。

全电机驱动的四足机器人，是目前所有足式机器中，技术成熟度、应用价值、人机交互友好性等综合多方面，最优的选择。

液压系统和内燃机系统具有造价高、质量重等劣势，所以并不是普及技术的最好的选择。

下面就总结一下目前比较有代表性的四足机器人方案。

LeggedRobotics实验室的SterIETH四足机器人（图1.1）及其腿部结构采用了优化的平面运动腿，这种腿具有扩展自由的外展度，腿部末端采用一线性弹簧，作为被动自由度，提高机器人足端的受力能力，改善机器人在复杂地貌上的适应性。

在SterIETH的基础上研发了ANYmal（图1.2），使用了12个具有力-位控制能力的电驱动单元，并可以携带多种传感器以实现复杂环境下的工业检测任务。

图1.2ANYmal机器人

图1.1SterIETH机器人及其腿部结构图

MITBiomimeticRoboticsLab的Cheetah机器人（图1.3）采用了EmoteqHT（高压高扭矩）系列无框动力电机（Dynamixel伺服电机），与低减速比行星减速器直接驱动的动力方案，在外部框架支撑下实现了接近自然界动物的高效率奔跑运动，其目前最高奔跑速度已超过22km/h。

为了实现高速奔跑，Cheetah除设计实现高性能动力系统外，还在腿部结构上做了大量分析优化。

后续版本CheetahRobotV2（图1.4）采用了自主研发的盘式力矩电机，功率密度进一步提升，但由于每条腿只有两个主运动自由度，髋关节侧摆自由度运动性能较弱，主要以跳跃步态运行。

图1.3Cheetah机器人图1.4CheetahRobotV.2机器人

1.2.2国内研究概况

近年国内高向和研究机构在863计划“高性能四足仿生机器人”等国家科研计划支持下，研发了多种液压动力的四足机器人样机。

山东大学、哈尔滨工业大学与华中科技大学等单位研制的四足机器人“MBBOT”，以及上海交通大学、清华大学研制的四足机器人等。

也从这些学校里面萌芽了许多关于四足机器人的大学生创业企业如宇树科技、蔚蓝阿尔法机器狗还有沃奇智能机器人等。

这些机器人能够实现负重下的蹲起、原地踏步、对角小跑、10°爬坡等运动。

以山东大学为例简单介绍一下国内高校研发的四足机器人，因为国内高校研发的四足机器人方向大致相同，因此只举一例，它的研究方向是跟随着美国波士顿动力给军方研制的BigDog四足机器人的形式研制的。

以液压伺服作为动力源，腿部有缓冲装置，能起到缓冲作用，并且将一部分机械能转换成机器人的动力，脚底有PVDF（压电薄膜）测力传感器作为反馈控制。

图1.5山东大学样机图1.6哈尔滨工业大学样机图1.7上海交通大学样机

基本上国内高校研制的四足机器人，都是奔着BigDog的方向去的，都是以液压伺服为动力，承载大、算法能适应各种复杂地形、抗扰能力强为主要的研究目标。

而且国内更注重四足机器人的算法控制，对机械结构并不是很重视，尤其是液压伺服的设计，与波士顿动力相比，并不是很紧凑。

但是也有一些高校在秘密研发新的四足机器人并未公开其研发的视频或是发表论文，但是目前为止，公开的资料里面，与波士顿公开的资料相比，仍然有一定的差距。

反观国内以电机为动力源的四足机器人，以2019年Robocon比赛还有几家机器人公司作为电驱动四足机器人的研究主体。

在2019年Robocon比赛中，加入了四足机器人的元素。

其中以东北大学TDT队伍的四足机器人最为夺目，它的结构新颖，重点是其电机的空间结构布置，可以认为是世界首创。

当然这种结构布局方式仅适用于比赛，对真正的四足机器人的研发并没有什么参考价值，但是也能证明国内有一群热血青年为四足机器人的创新与研发而努力奋斗。

而在国内众多研究电驱动四足机器人的公司中，以宇树科技研究的四足机器人最为夺目，同时也是国内唯一能媲美美国波士顿动力公司电驱动四足机器人的公司。

宇树科技的创始人王兴兴，在2016年在他的硕士论文里面就完成了他人生中第一部四足机器人的研发。

然后创办了宇树科技公司，并且是国内第一家在麻省理工学院开源的MiniCheetah之前就完成其四足机器人的研发的公司，而国内现有的几家所谓的四足机器人公司，在结构上还是停留在MiniCheetah上，并无明显的创新痕迹。

换句话说，宇树科技具备自主研发能力比其他研发四足机器人的公司要强。

但宇树科技在以液压为源动力的四足机器人上面仍未有任何开发的计划。

图1.8东北大学学生团队研发的四足机器人

图1.9宇树科技四足机器人发展历程

1.2.3总体发展概况

经过汇总，目前世界上比较有代表性的几款足式机器人关节中应用的电机机械结构都有减速结构，Laikago用的是行星减速、Anymal用的是谐波减速器和弹性体、Spotmini用的是谐波减速器或是滚珠丝杆。

最理想的电机（力矩源）是可以实时控制的无转动惯量的精确扭矩发生器。

而实际电机有转动惯量、扭矩、质量密度较低、力矩发生有滞后（带宽）、力矩发生有波动、发热等缺陷。

所以目前限制电机技术的瓶颈是材料，材料有两种，稀土永磁和硅钢或软磁合金，稀土永磁具有高磁能积和高矫顽力（特别是高内禀矫顽力），使得稀土永磁电机具有体积小，重量轻、效率高、特性好（特高速、特高响应速度等）。

现在国内外的不少足式机器人因为电机发热的问题、机械结构的缺陷、电池续航能力差等问题，只能短时间运行。

所以在机械结构上，除了具有一定柔性变化的腿部机械结构外，电机的选型是最关键的问题。

因为无论采用的是哪一种腿部结构，电机的运行状态是一直保持不停的正反转状态，所以转动惯量是一个非常致命的问题，正反转的状态就注定了电机很少会出现全速运作的状态，电机也会因为要克服转动惯量而导致发热非常明显。

减速比条件允许的情况下越低越好，传动效率是越高越高，这样能带来更好的反驱能力，高的减速比能提升力矩和质量比，但是它的转动惯量增大（正比于减速比的平方）、力矩带宽和响应也相对较低。

在现今的科技背景下提升电机性能的方法主要有两个方面，一个是增强散热，用风冷或者水冷的方式，但目前风冷的方式比较常见，因为水冷还