《Mechatronics》：Hydraulic actuated leg with passive flexibility and energy efficiency for heavy-duty quadruped robots
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提出一种基于关节被动柔顺的四足机器人新型腿部结构设计方法，通过引入过渡连杆将传统三段式结构优化为四段式三自由度拓扑，并集成对称四活塞杆气动缓冲装置，实现高刚度约束与低变形特性。经参数优化与实验验证，该设计有效降低动态运动中的关节驱动力，提升能效比达30%以上，同时增强冲击吸收能力与运动稳定性。
Zisen Hua|Dongyue Hua|Xuewen Rong|Yaru Sun
安徽科技学院第一附属医院，安徽科技学院，淮南市，232001，安徽，中国
摘要
为了解决四足机器人液压系统固有局限性导致的足部与地面冲击过大问题，同时减少传统被动缓冲结构对机器人腿部着地姿态的过度依赖，本研究提出了一种基于关节被动柔顺性的新型肢体结构设计方法。该方法在膝关节处引入了一个过渡连杆，将传统的三段式腿部拓扑结构（具有三个自由度）改进为四段式结构（同样具有三个自由度）。此外，还采用了一种完全对称的四活塞杆气动支撑机构，该机构具有可调的高刚度和最小的变形特性，用于限制膝关节处连杆的运动，从而确保肢体各部分之间的运动关系具有确定性。同时，通过优化连杆长度和铰链点位置，使得弹性元件的变形方向在足部姿态的几乎整个工作空间内保持固定，进一步降低了动态运动过程中的关节驱动力。通过在单腿测试平台上的实验验证了所提出的腿部设计在能量效率、运动稳定性和冲击减弱方面的有效性。
引言
四足机器人由于其强大的适应性、高移动性和相对简单的平衡控制能力，已成为腿部机器人研究的关键焦点。它们在地形探索、电网检查和应急物资运输等领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。然而，尽管在研究的各个方面取得了显著进展，但这些机器人的运动能力仍落后于自然界中的动物[4]、[5]。
仿生四足机器人与四足哺乳动物之间的一个关键区别在于，仿生四足机器人不仅缺乏哺乳动物的爆发力，而且在构建适当的刚柔结合腿部结构方面也面临挑战。被动柔顺性在稳定运动和节能运动中起着至关重要的作用[6]。例如，一些研究表明，在动物行走、小跑和奔跑过程中，肌腱的弹性线圈可以有效贡献机械功[7]、[8]。Hurst等人[9]指出，过高的腿部刚度会导致与地面发生能量浪费的碰撞，从而产生可能损坏机器人电子设备和机体结构的巨大冲击。Roberts也强调，对于高功率运动，必须加入某些机械结构（如被动弹性元件）来增加机器人体内的势能或动能[10]。
为了在有效的机械系统中复制肌肉和肌腱的功能，研究人员进行了大量富有洞察力的研究，开发了多种腿部机器人的被动柔顺性机制。这些机制大致可以分为三类。第一类包括恒定被动或可变被动柔顺执行器[11]、[12]、[13]，通常称为关节串联柔顺性。这些执行器通常由一个刚性执行器和一个机械弹性元件组成。这些设备的优点如下：（1）通过调节弹性元件的变形实现精确的力控制；（2）能够储存和释放能量；（3）功耗较低[14]。然而，这种方法限制了运动响应的带宽，并增加了设计的复杂性。例如，至少需要添加一个动力装置来改变结构的柔顺性。
第二类是被动柔顺肢体，也称为腿部远端柔顺性，通常设计为被动伸缩结构。这些机制常用于液压驱动的腿部机器人，尤其是那些设计用于重负载的机器人，如早期的BigDog[15]、HyQ[16]和Runner[17]。此外，大行程伸缩腿部结构对脚部位置、地形形态、机器人躯干重心位置等因素非常敏感，这些都可能导致机器人稳定姿态和位置的持续波动。随着阻抗控制[18]、虚拟模型控制[19]等柔顺控制策略的广泛应用，以及执行器硬件性能的提高，对被动弹性元件的依赖正在逐渐减少。然而，由于液压系统的固有动态限制，某些减轻足部与地面冲击的措施仍无法完全消除，例如使用特殊执行器[20]或在机器人脚底添加软材料。第三类是被动柔顺脊柱机制，通常用于设计用于高速运动和节能的机器人[21]、[22]、[23]。虽然弹性机制显著提高了腿部机器人的性能，但不同运动模式的不同需求带来了新的挑战。一方面，这些需求增加了结构设计的复杂性；另一方面，它们可能限制了机器人对多样化环境的适应能力。
另一种提高能量效率并吸收冲击的有效方法是足部轨迹优化。例如，Park等人[24]提出了一种结合动量守恒和贝塞尔曲线的垂直脉冲力算法。该方法使用MIT Cheetah 2机器人进行了实验验证，结果表明它能够在最小化能耗的同时实现稳定和连续的运动。在进一步的研究中，Dong等人[25]考虑了质心波动对能量效率的影响，并引入了一种质心波动轨迹，使能耗降低了30%以上。然而，需要注意的是，仅关注能量效率的步态规划可能会影响机器人运动的平稳性和协调性。
为了提高肢体-腿部机制的被动柔顺性，我们的研究团队之前开发了一种具有小变形和高刚度的紧凑型板簧结构，该结构无缝集成到了肢体连杆组件中[26]。这种设计有效解决了传统螺旋弹簧阻尼组件的固有缺点，在冲击吸收和关节性能提升方面具有显著优势。然而，传统板簧的刚度特性受到材料模量和几何参数的限制，缺乏制造后的可调性，这严重限制了它们的应用灵活性。在以往研究的基础上，本文提出了一种新型的气动弹性装置设计。通过建立运动力学耦合模型，对该新系统的节能机制进行了深入研究，对其结构参数进行了系统优化。最后，通过单腿实验平台系统验证了新结构在增强缓冲性能和提高能量效率方面的双重优势。
本文的其余部分组织如下：第2节描述了四足机器人SCalf使用的传统腿部结构，并介绍了新结构原理及其静态特性。第3节介绍了节能腿部结构设计。第4节进行了仿真和单腿实验。第5节给出了结论和未来的工作方向。
章节摘录
结构概述
四足机器人SCalf的原始腿部结构如图1a所示。它采用三段式设计，包括髋部、大腿和小腿。腿部有三个自由度：一个用于向外摆动，两个用于俯仰运动。值得注意的是，大腿、小腿和执行器形成了一个封闭的三角形结构，每个关节点都由销钉连接。当高刚度的执行器无法快速回缩时，足部与地面碰撞产生的冲击力
节能设计
在本节中，根据结构约束和设计要求优化了过渡连杆和弹性组件的基本尺寸和安装位置，主要目标是提高缓冲能力和运动效率。此外，通过静态分析和评估弹性组件变形与足端缓冲幅度之间的关系，最终确定了弹性组件的刚度特性。
实验
在本节中，进行了物理测试并详细分析了相应的结果。
结论与未来工作
本研究提出了一种四足机器人腿部机制的新设计方法，其核心创新在于关节柔顺性。与传统三连杆拓扑不同，该方法引入了一个过渡连杆和专用弹性体以实现被动柔顺性和高效驱动。基于运动学和静态模型，研究了弹性组件变形与足端回缩以及足部与地面之间的关系
CRediT作者贡献声明
Zisen Hua：资金获取、概念构思。Dongyue Hua：撰写——初稿、软件开发。Xuewen Rong：项目管理、资金获取。Yaru Sun：撰写——审稿与编辑、监督。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62441302和62373217）、安徽科技学院医学专项培养项目（项目编号：YZ2023H2C010）以及安徽科技学院研究生创新基金（项目编号：2024cx2196）的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Zisen Hua报告了财务
Zisen Hua于2020年在山东科技大学获得博士学位。目前，他是安徽科技学院的讲师。他的研究兴趣包括机械结构优化与分析、液压伺服传动和控制系统。
