单腿机器人研究综述核心观点 - 单腿机器人作为多足机器人的基本单元 通过简化系统复杂度聚焦腿足运动本质 为波士顿动力Spot和云深处绝影等商业化四足机器人奠定理论基础[1] - 研究团队系统梳理四十多年来从简单伸缩结构到复杂关节系统的演化历程 揭示实现仿生运动的关键路径[1] 单腿机器人的研究价值 - 相比轮式或履带式机器人 腿足机器人在不规则地面和大起伏地形中具备卓越机动能力 能完成传统移动方式难以胜任的任务[4] - 单腿构型采用跳跃这一种动态步态 完整体现足部从支撑发力到腾空落地的全过程 可作为多足机器人单条腿运动的抽象表达[4] - 作为理想基础研究平台 使研究人员能聚焦结构设计、运动学建模与控制策略研究 为多足机器人提供算法原型[4] 结构构型分类 - 伸缩式单腿机器人具有垂直方向伸缩自由度 采用气动缸/液压装置或弹簧电机系统 结构简单运动路径明确[5] - 早期MIT Raibert教授开发二维跳跃机器人实现0.65米跳跃高度[6] - Gregorio开发首款电驱单腿机器人ARL Monopod I重15公斤 平均功耗125瓦[6] - Martin推出ARL Monopod II将功耗降至48瓦 跳跃高度提升至0.75米 最高速度1.25米/秒[6] - 微型化方向Wei构建体积小于5立方厘米重30克机器人 速度达7.75厘米/秒[7] - PogoDrone集成四旋翼和被动跳跃机构重31克 实现0.7倍体长跳跃高度[7] - 关节式单腿机器人由多个旋转关节连接构成 更贴近生物运动方式[9] 关节式机器人驱动类型 - 刚性驱动关节腿机器人采用完全刚性执行器 如Wu设计0.87公斤机器人实现0.2米前向跳跃[13] - 并联弹性驱动关节腿机器人(PEALR)使用并联弹性执行器降低峰值负载 Liu的SPEAR机器人实现0.64米跳跃高度和0.54米/秒速度[13] - 串联弹性驱动关节腿机器人(SEALR)采用串联弹性执行器 ETH的ScarlETH重6.2公斤实现0.37米跳跃高度和0.25米前向跳跃[13] - 变刚度弹性驱动关节腿机器人(VSELR)可调节关节刚度 Kim设计的浮动弹簧执行器能在负载27公斤下完成深蹲-起立任务[14] - 人工肌肉驱动系统如Buchner的PELE机器人重0.23公斤 能耗仅传统系统1.2% 实现超过5Hz步态循环和128毫米跳跃高度[15] 建模方法 - 弹簧负载倒立摆模型(SLIP)将腿部结构类比无质量弹簧系统 有效描述支撑相与腾空相能量转换[17] - 衍生模型包括非对称弹簧加载倒立摆模型(A-SLIP) 耗散型SLIP模型(D-SLIP) 水下环境U-SLIP模型和圆形足端R-SLIP模型[17] - 关节模型显式考虑刚体连接结构和关节自由度 如Berkemeier将质量集中于关节处 Roozing引入阻尼元件 Ankle-Knee-Hip模型集成多关节协调[18] 控制策略 - 基于模型控制包括Raibert三部分控制 Han混合反馈控制(HFC)提升能量响应速度[22] - 零力矩点(ZMP)控制确保动态平衡 Ugurlu实现高效稳定跳跃 Tian使机器人实现16.4厘米跳跃[22] - 虚拟模型控制(VMC)通过虚拟力计算实现运动特性 He保持柔顺性与稳定性 Sun构建自我训练智能控制系统[23] - 基于逆动力学(IKC)控制直接生成关节力矩 Zhang针对闭链液压结构设计虚拟解耦控制框架[24] - 模型预测控制(MPC)实现实时环境适应 Albracht构建混合整数MPC规划器实现障碍跨越 Cho提出液压节能策略控制热耗散[24] - 无模型控制包括中枢模式发生器(CPG)通过神经网络生成周期信号[25] - 强化学习(RL)展现强大自适应能力 Soni端到端RL仅输入期望高度即自动计算关节参数 Moslemi实现深蹲跳等复杂动作 Choe实现稳定跳跃和空中翻滚[25][27] 未来研究方向 - 生物启发设计需在生物还原度与工程可实现性间寻找平衡[29] - 轻量化制造需解决动态载荷下结构强度保障及多目标权衡问题[29] - 辅助结构集成面临机构布局冲突布线复杂化和散热管理难题[29] - 未来材料应用需克服制造复杂性和长期耐久性瓶颈[30] - 智能控制需解决计算资源限制和仿真到现实的转移差距[30] - 人机交互需建立可信任的共融机制并开展伦理安全性研究[30]