北理哪吒(BIT-NAZA)
——記北理工電動(dòng)并聯(lián)式輪足機(jī)器人
發(fā)布日期：2017-12-18 供稿：黨委宣傳部 王征,、韓姍杉 攝影：自動(dòng)化學(xué)院
編輯：馬瑤 審核：金軍,、包麗穎 閱讀次數(shù)：
“上下顛倒”跳出華麗舞步
北理哪吒仿真模型
當(dāng)前,，移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的迅猛擴(kuò)展對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能要求日益提高,，要求機(jī)器人具有很好的運(yùn)動(dòng)速度,、穩(wěn)定性、負(fù)載能力和地形適應(yīng)性,，而單純的足式運(yùn)動(dòng),、履帶或輪式運(yùn)動(dòng)均難以同時(shí)滿(mǎn)足上述要求。
自動(dòng)化學(xué)院運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制研究團(tuán)隊(duì)曾在2010年參與了國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目——液壓四足機(jī)器人協(xié)同驅(qū)動(dòng)控制研究,。課題組的研究生們正是通過(guò)對(duì)四足機(jī)器人的研究,，在指導(dǎo)教師的鼓勵(lì)和指導(dǎo)下，大膽提出了一個(gè)“顛覆”性的技術(shù)方案,，即將通常使用的并聯(lián)式六自由度平臺(tái)“上下顛倒”,，化“臺(tái)”為“腿”，并在“腿上”加裝輪足機(jī)構(gòu),。這一填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外四足機(jī)器人研究空白的方案,，極具創(chuàng)新性，堪稱(chēng)“北理工首創(chuàng)”,。
然而,，創(chuàng)新從來(lái)都不是空中樓閣，之所以能夠產(chǎn)生“上下顛倒”的創(chuàng)新想法,，離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)在并聯(lián)式多自由度平臺(tái)方面多年積累的研究?jī)?yōu)勢(shì),，深厚的學(xué)術(shù)土壤，才讓同學(xué)們的創(chuàng)新種子得以開(kāi)花結(jié)果,。
多自由度平臺(tái)就是一種完全再現(xiàn)物體在空間六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的可控機(jī)械裝置,，而這種再現(xiàn)還必須實(shí)現(xiàn)高精度、高頻響和高穩(wěn)定性等要求,。另外,，由于裝置中桿件之間還有相互影響，所以研究難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們熟悉的機(jī)械手臂等串聯(lián)式平臺(tái),。而“北理哪吒”的每條單腿都是一個(gè)由6根電動(dòng)缸組成的六自由度平臺(tái),，不僅要確保每條腿本身的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，還要考慮四條腿一起運(yùn)動(dòng)時(shí)的控制協(xié)調(diào),，24根電動(dòng)缸的“和諧共處”,，給項(xiàng)目帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。
“我們需要解決單腿的控制,，四條腿的協(xié)調(diào)控制,、減震設(shè)計(jì)以及環(huán)境感知等一系列問(wèn)題，才能真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主判斷及自主控制,，這也是為什么我們從提出思路到做出樣品中間做了那么長(zhǎng)時(shí)間仿真模擬的原因,，需要考慮的檢測(cè)量和控制量實(shí)在是太多了?！闭f(shuō)起設(shè)計(jì)過(guò)程,，團(tuán)隊(duì)中的劉冬琛同學(xué)不無(wú)感慨,。
除了做好運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，為腿上加裝輪足裝置,，又是一個(gè)新的技術(shù)難點(diǎn),。加裝輪足裝置，可以讓機(jī)器人的通過(guò)性,、靈活度等變得更強(qiáng),，但在 “走路”的時(shí)候，卻需要有體積足夠小,，質(zhì)量足夠輕的鎖死裝置將所有輪子鎖死,，這是一個(gè)不小的難題，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的精確計(jì)算和多次仿真模擬,，同學(xué)們才終于攻克這個(gè)問(wèn)題,。
正是這種創(chuàng)新的“倒置”設(shè)計(jì)，再穿上“風(fēng)火輪”,，“北理哪吒”實(shí)現(xiàn)了輪式,、足式和輪足復(fù)合式運(yùn)動(dòng)，綜合起來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)輪式運(yùn)動(dòng),、原地轉(zhuǎn)動(dòng),、變輪距運(yùn)動(dòng)、變高度運(yùn)動(dòng)等10種“華麗舞步”,，不僅能自由“走跑”,，還能根據(jù)障礙情況，或“劈腿矮身”,，或“旋轉(zhuǎn)滑步”,，可謂靈活非凡。
威風(fēng)“哪吒”,，功夫出在腿上
“這個(gè)機(jī)器人最大的特點(diǎn)是在腿上,，就像腳踏風(fēng)火輪的哪吒一樣，風(fēng)風(fēng)火火,，各種困難險(xiǎn)阻都能跨越?！闭f(shuō)起哪吒這一名字的由來(lái),，指導(dǎo)教師王軍政教授笑稱(chēng)道。談笑之間,，卻點(diǎn)明了這款機(jī)器人最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是出色的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),。
北理哪吒機(jī)器人基本組成
“北理哪吒”由運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng),、組合導(dǎo)航系統(tǒng),、能源動(dòng)力系統(tǒng)等組成,。運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是“腿腳”，由一組組桿狀機(jī)構(gòu)組成,，造型酷帥,。外行看熱鬧，內(nèi)行看門(mén)道,，殊不知,，正是這一根根“桿件”才是“北理哪吒”的核心技術(shù)——一體化電動(dòng)缸。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈活豐富的運(yùn)動(dòng),、大承載力和良好的主動(dòng)隔振效果,，高功率密度一體化電動(dòng)缸是其中的關(guān)鍵。
不同于液壓缸和氣動(dòng)缸是依靠液,、氣的壓力作為驅(qū)動(dòng)力,，電動(dòng)缸依靠電機(jī)和絲杠等機(jī)械裝置，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng),，具有高強(qiáng)度,、高速度、高精度定位,，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),，低噪音等優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)化學(xué)院運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來(lái)依托軍工研究?jī)?yōu)勢(shì),，不僅成為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研究力量,，并逐漸在一體化電動(dòng)缸方面形成研究?jī)?yōu)勢(shì)，孕育一批重要的研究成果,。
在此基礎(chǔ)上,，團(tuán)隊(duì)學(xué)生們才能大膽創(chuàng)新，將這個(gè)“顛覆”方案從設(shè)想變作現(xiàn)實(shí),，采用新型高功率密度一體化電動(dòng)缸,，將電機(jī)軸與絲杠桿結(jié)構(gòu)合一，不僅外形更為緊湊,，在驅(qū)動(dòng)能力方面也實(shí)現(xiàn)較大提升,。
參加“挑戰(zhàn)杯”比賽期間吸引眾多觀眾
本次參加全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”的“北理哪吒”，采用輪式滑行最大速度可達(dá)每小時(shí)30公里,，輪距可在0.5米到1米之間調(diào)整,，機(jī)身高度可在1.2米到1.5米之間調(diào)整，最大爬坡角度為25°,。機(jī)器人四個(gè)輪子可獨(dú)立驅(qū)動(dòng),，順、逆時(shí)針原地可旋轉(zhuǎn),；在遇到障礙物時(shí),，可自動(dòng)調(diào)整輪距和底盤(pán)高度實(shí)現(xiàn)越障,。同時(shí)，也可通過(guò)環(huán)境感知系統(tǒng)探測(cè)路徑,，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線,、90度轉(zhuǎn)彎、以及S型彎道等循跡運(yùn)動(dòng),。
足式運(yùn)動(dòng)“行走”時(shí),，“北理哪吒”的最大速度為每小時(shí)4公里，最大步幅0.3米,，最大抬腿高度0.2米,。由于結(jié)構(gòu)中心對(duì)稱(chēng)，機(jī)器人能夠“縱橫”漫步,，自由向任何方向直接移動(dòng),，如果地形復(fù)雜，機(jī)器人憑借腳上的觸覺(jué)傳感器,，還可以在不平地面上的漫步行走,。
“平坦路面時(shí)，采用輪式運(yùn)動(dòng),，速度快,、能源效率高，而復(fù)雜路面時(shí),，采用足式運(yùn)動(dòng),，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、越障能力好,。輪足復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí),，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)隔震并實(shí)時(shí)調(diào)整，保證水平穩(wěn)定,?！薄氨崩砟倪浮蹦茏灾髑袚Q運(yùn)動(dòng)模式，適應(yīng)不同的環(huán)境,，這樣的“腿功”離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制理論方面的深厚積累,。
一碗水能端“平”的“大力士”
“北理哪吒”并不是一臺(tái)“為走而走”的機(jī)器，這在同學(xué)們策劃項(xiàng)目之初,，就在老師的指導(dǎo)下,，有所考慮。創(chuàng)新方案設(shè)計(jì),，也賦予了其在承載力和隔震效果方面驚人的潛力。
這臺(tái) “北理哪吒”機(jī)器人,，總功率為15千瓦,，最大承載力達(dá)到300公斤,，四個(gè)成年人直接乘坐，運(yùn)動(dòng)自如,，如此負(fù)重續(xù)航可分別達(dá)到足式運(yùn)動(dòng)1小時(shí),、輪式運(yùn)動(dòng)2小時(shí)和輪足復(fù)合式運(yùn)動(dòng)45分鐘。從負(fù)載重量與功率比來(lái)看,，表現(xiàn)出色,，潛力巨大。
除了出色的負(fù)重能力之外,，要想成為有效的工作平臺(tái),，還必須要確保平穩(wěn)，否則其應(yīng)用也將大打折扣,，但在目前機(jī)器人研究中,，要實(shí)現(xiàn)兼顧通過(guò)性、負(fù)重能力和隔振性能,，可謂挑戰(zhàn)巨大,。
“北理哪吒”由于其使用倒置并聯(lián)多自由度平臺(tái)和輪足相結(jié)合作為支撐，特別是性能出色的一體化電動(dòng)缸作為基本驅(qū)動(dòng)裝置,，充分發(fā)揮了其控制準(zhǔn)確,、精度高的特點(diǎn)，使得動(dòng)作過(guò)程平穩(wěn)到位,。而在最能考驗(yàn)隔振效果的輪足復(fù)合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,，對(duì)振動(dòng)可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，“瞬間”化解沖擊,，確保平臺(tái)的整體平穩(wěn),。因此，“北理哪吒”是一位能將一碗水端“平”的“大力士”,，名副其實(shí),。
除了以上的“神力”之外，團(tuán)隊(duì)還為“北理哪吒”安裝了GPS,、激光雷達(dá)和雙目視覺(jué)功能的組合導(dǎo)航系統(tǒng),。由于運(yùn)動(dòng)方式靈活、能源效率高,、地形適應(yīng)性強(qiáng)和負(fù)載能力大等優(yōu)勢(shì),，“北理哪吒”應(yīng)用前景廣泛。例如在軍用領(lǐng)域,，既可以作為移動(dòng)式無(wú)人武器平臺(tái),，加裝偵查、火力裝備等，也可以作為戰(zhàn)地后勤保障機(jī)器人或步兵班組支援系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)在平整道路上的快速突進(jìn)和復(fù)雜地形下的穩(wěn)定行進(jìn),，大負(fù)載能力，可滿(mǎn)足包括步兵班組裝備攜帶等戰(zhàn)地后勤需求,。而在民用領(lǐng)域,，可以在復(fù)雜地形下，實(shí)施搶險(xiǎn)救災(zāi)和資源勘探,，還可以為殘障人士提供服務(wù)保障等,。
運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制研究團(tuán)隊(duì)
“北理哪吒”并不似神仙騰云駕霧，也沒(méi)有花哨的三頭六臂,，原始創(chuàng)新的背后,，并無(wú)太多傳奇。北理工學(xué)子們腳踏實(shí)地創(chuàng)新研究的基礎(chǔ),，來(lái)自于多年服務(wù)軍工國(guó)防中積淀的學(xué)科優(yōu)勢(shì),，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、鼓勵(lì)創(chuàng)新的學(xué)術(shù)氛圍,，和指導(dǎo)教師的循循善誘,。而參與創(chuàng)新項(xiàng)目的同學(xué)們，更深深懂得不僅要埋頭于實(shí)踐中扎實(shí)鉆研,，把研究踏實(shí)做透,，也要抬起頭關(guān)注前沿，瞄準(zhǔn)一流,。
