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毕业设计(论文)机器人行走机构文献综述

一、引言

随着科技的飞速发展，机器人技术已经成为现代工业、服务业以及日常生活中不可或缺的一部分。特别是在机器人行走机构的研究与应用领域，其重要性日益凸显。据统计，全球机器人市场规模在过去的十年间以平均每年约15%的速度增长，预计到2025年，全球机器人市场规模将达到1500亿美元。在这一大背景下，机器人行走机构的设计与优化成为了研究的热点。

机器人行走机构是机器人实现自主移动的基础，其性能直接影响到机器人的作业效率、环境适应能力和安全性。目前，全球机器人行走机构的研究主要集中在仿生行走、轮式行走、履带行走和混合行走等几种类型。例如，波士顿动力公司的Spot机器人采用了四足仿生行走机构，能够在复杂地形上稳定行走，并在家庭、工业等领域得到广泛应用。

在机器人行走机构的设计与优化过程中，研究人员不断探索新材料、新结构和新控制算法。例如，美国麻省理工学院的RoboCup团队研发了一种基于多关节机构的机器人，通过优化关节设计和运动控制算法，实现了机器人在不同地形上的高效行走。此外，国内外许多研究机构也在探索利用人工智能技术来提高机器人行走机构的智能水平，如通过深度学习算法实现路径规划、障碍物识别等功能，从而提升机器人的自主性和适应性。

二、机器人行走机构的发展历程

(1)机器人行走机构的发展历程可以追溯到20世纪50年代，当时以轮式机构为主的简单行走机器人开始出现。这些早期的机器人主要用于工业领域，如美国的Unimate机器人，它于1961年投入生产，成为世界上第一台工业机器人。随后，随着电子技术和控制理论的进步，机器人行走机构逐渐从简单的轮式机构向更复杂的机构发展。

(2)进入20世纪70年代，随着微型电机和传感器技术的突破，机器人行走机构的设计开始更加多样化。这一时期，日本的研究者开发出了基于液压和气压的履带式行走机构，这些机构在重型机器人中得到了应用。同时，仿生学研究的兴起推动了仿生行走机构的发展，如日本的ASIMO机器人，其腿部机构模仿了人类行走的方式，实现了更为自然和灵活的移动。

(3)20世纪90年代以后，随着计算机科学和人工智能技术的飞速发展，机器人行走机构的设计进入了一个新的阶段。这一时期，多足机器人、四足仿生机器人等新型机构开始涌现，它们在复杂地形和不确定环境中展现出更高的适应性和稳定性。例如，波士顿动力公司的Atlas机器人，其行走机构结合了机械工程和生物力学原理，能够在多种环境中稳定行走，并在军事、救援等领域展现出巨大的潜力。

三、常见机器人行走机构类型及其特点

(1)轮式行走机构是机器人行走机构中最常见的一种类型，以其结构简单、运动平稳、成本较低等优点被广泛应用于工业机器人、服务机器人和家庭机器人中。轮式机构通常由多个轮子组成，通过轮子的滚动实现机器人的移动。这种机构的特点是速度较快，但转向灵活性较差，且在复杂地形上的通过性有限。

(2)履带行走机构适用于复杂地形和重载环境，其特点是能够提供较大的接地压力和牵引力，从而在松软或崎岖的地面上保持稳定。履带机构由多个履带板组成，通过履带板与地面的摩擦力实现机器人的前进和转向。履带机构的优点是适应性强，但结构复杂，成本较高，且在硬地面上移动速度较慢。

(3)仿生行走机构模仿自然界中生物的行走方式，如四足行走、两足行走等。这种机构在复杂地形和不确定环境中表现出较高的稳定性和灵活性。例如，四足机器人能够在不平坦的地面上稳定行走，且能够通过调整腿部姿态来适应不同的地形。仿生行走机构的缺点是设计复杂，控制难度较大，但其在特定领域的应用前景广阔。

四、机器人行走机构的设计与优化

(1)机器人行走机构的设计与优化是一个多学科交叉的复杂过程，涉及机械设计、控制理论、材料科学等多个领域。在设计过程中，需要考虑机器人的运动学、动力学、能量消耗以及环境适应性等因素。例如，波士顿动力公司的SpotMini机器人，在设计时充分考虑了其轻量化、紧凑化以及易于操作的特点，通过优化机械结构和控制算法，使得机器人在行走时更加灵活和高效。

(2)优化机器人行走机构的关键在于提高其性能和降低能耗。通过采用轻质材料和先进的制造工艺，可以显著减轻机器人的重量，从而降低能耗和提高移动速度。据研究，使用碳纤维复合材料制成的机器人行走机构，其重量可以减轻30%以上，同时保持良好的刚性和强度。例如，德国FraunhoferInstitute研发的轻量级机器人，其行走机构的优化设计使得机器人在移动时的能耗降低了50%。

(3)机器人行走机构的智能化控制也是优化设计的重要方向。通过引入传感器、执行器和人工智能算法，可以实现机器人的自主导航、避障和平衡控制。例如，日本东京大学的机器人研究团队开发了一种基于视觉感知的机器人行走机构，通过实时图像处理和深度