液压驱动四足机器人HyQ的设计与开发：动态运动与复杂地形导航平台

作者及机构
本文由意大利技术研究院（Italian Institute of Technology, IIT）的Claudio Semini、Nikos G. Tsagarakis、Emanuele Guglielmino、Michele Focchi、Ferdinando Cannella和Darwin G. Caldwell合作完成，发表于2011年2月的IMechE Part I: Journal of Systems and Control Engineering。

学术背景与研究目标

科学领域：本研究属于机器人学中的仿生腿式机器人（Bio-inspired Legged Robots）领域，聚焦于液压驱动与机电混合驱动的四足机器人设计。

研究动机：传统轮式或履带机器人在平坦地形表现优异，但在崎岖地形中机动性受限。受动物腿部运动的启发，研究者提出通过液压驱动实现高动态运动（如奔跑、跳跃）和复杂地形适应能力。

研究目标：
1. 开发一种兼具高动态性能与地形适应能力的四足机器人平台HyQ；
2. 验证液压驱动在腿式机器人中的优势（高功率密度、抗冲击性）；
3. 探索关节扭矩控制与被动柔顺性对运动稳定性的影响。

研究流程与方法

1. 机器人设计与规格制定

• 机械结构：HyQ高1米，重91公斤，配备12个扭矩控制关节（8个液压驱动，4个电机驱动），腿部采用模块化设计，便于维护。
  
• 液压系统：采用双作用液压缸（16mm缸径，80mm行程），最大输出扭矩145 Nm，搭配比例阀控制流量。
  
• 传感器网络：包括光学编码器（分辨率80,000 counts/rev）、绝对磁编码器、应变片式负载单元（测量关节扭矩）和惯性测量单元（IMU）。
  

2. 腿部原型开发与测试

• 关节运动学建模：通过几何参数（如杠杆臂长度( l_{eff} )）推导液压缸扭矩与关节角度的非线性关系（公式8-9），优化关节扭矩输出曲线（图4）。
  
• 单腿跳跃实验：在垂直滑动平台上测试12.5kg负载下的动态性能（图6），结果显示液压系统可承受高冲击（峰值扭矩超125 Nm），但需改进阀门带宽以抑制振荡（图7）。
  

3. 液压流量需求分析

• 步态仿真：基于复合摆线足部轨迹（图5a），估算不同速度下的流量需求。行走需5 L/min，而奔跑需20 L/min，需外接液压泵满足高流量需求。
  

4. 四足机器人集成与实验

• 静态行走验证：使用外部液压泵（70kg减重版本）测试离线生成的步态轨迹，仿真与实验数据对比显示关节位置跟踪误差在可接受范围内（图11）。
  
• 空中步态测试：1Hz运动下跟踪性能良好，但2.5Hz时因阀门延迟出现显著偏差（图12）。
  

主要研究成果

1. 液压驱动优势：HyQ的液压关节在动态任务（如跳跃）中表现优于传统电机驱动，验证了其高功率密度（3216N最大推力）和抗冲击能力。
   
2. 混合驱动设计：电机驱动髋关节外展/内收（Hip A/A）节省空间，液压驱动髋/膝关节屈伸（Hip F/E, Knee F/E）提供高动态性能。
   
3. 被动柔顺性：踝关节弹簧（刚度20-109 N/mm）有效吸收冲击，但需权衡刚度与能量效率。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出液压-电机混合驱动的模块化腿部设计范式，为动态腿式机器人开发提供参考；
- 验证了扭矩控制与被动柔顺性在复杂地形运动中的必要性。

应用前景：
- 军事（如负重运输）、灾害救援（崎岖地形导航）及仿生运动研究平台。

研究亮点

1. 创新驱动方案：首次在四足机器人中结合液压高扭矩与电机紧凑性，解决传统电机减速器带宽不足的问题。
   
2. 动态性能验证：单腿跳跃频率达2.3Hz，逼近生物运动极限（表I）。
   
3. 开源控制框架：采用SL（Schaal Lab）软件实现实时控制与仿真一体化。
   

待改进问题：阀门带宽限制导致高频运动跟踪误差，未来计划采用伺服阀（如两级阀）提升响应速度。

其他贡献：
- 附录详细列出商用组件型号（如Harmonic Drive谐波减速器、Burster负载单元），为后续研究提供硬件选型参考。

（全文约2000字）