北理哪吒(BIT-NAZA)
——記北理工電動并聯(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，移動機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的迅猛擴(kuò)展對其運動性能要求日益提高，要求機(jī)器人具有很好的運動速度、穩(wěn)定性、負(fù)載能力和地形適應(yīng)性，而單純的足式運動、履帶或輪式運動均難以同時滿足上述要求。
自動化學(xué)院運動驅(qū)動與控制研究團(tuán)隊曾在2010年參與了國家“863”計劃項目——液壓四足機(jī)器人協(xié)同驅(qū)動控制研究。課題組的研究生們正是通過對四足機(jī)器人的研究，在指導(dǎo)教師的鼓勵和指導(dǎo)下，大膽提出了一個“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“上下顛倒”，化“臺”為“腿”，并在“腿上”加裝輪足機(jī)構(gòu)。這一填補(bǔ)了國內(nèi)外四足機(jī)器人研究空白的方案，極具創(chuàng)新性，堪稱“北理工首創(chuàng)”。
然而，創(chuàng)新從來都不是空中樓閣，之所以能夠產(chǎn)生“上下顛倒”的創(chuàng)新想法，離不開團(tuán)隊在并聯(lián)式多自由度平臺方面多年積累的研究優(yōu)勢，深厚的學(xué)術(shù)土壤，才讓同學(xué)們的創(chuàng)新種子得以開花結(jié)果。
多自由度平臺就是一種完全再現(xiàn)物體在空間六個自由度運動的可控機(jī)械裝置，而這種再現(xiàn)還必須實現(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。而“北理哪吒”的每條單腿都是一個由6根電動缸組成的六自由度平臺，不僅要確保每條腿本身的運動協(xié)調(diào)，還要考慮四條腿一起運動時的控制協(xié)調(diào)，24根電動缸的“和諧共處”，給項目帶來巨大挑戰(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)計以及環(huán)境感知等一系列問題，才能真正實現(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時間仿真模擬的原因，需要考慮的檢測量和控制量實在是太多了。”說起設(shè)計過程，團(tuán)隊中的劉冬琛同學(xué)不無感慨。
除了做好運動協(xié)調(diào)，為腿上加裝輪足裝置，又是一個新的技術(shù)難點。加裝輪足裝置，可以讓機(jī)器人的通過性、靈活度等變得更強(qiáng)，但在 “走路”的時候，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，這是一個不小的難題，經(jīng)過長時間的精確計算和多次仿真模擬，同學(xué)們才終于攻克這個問題。
正是這種創(chuàng)新的“倒置”設(shè)計，再穿上“風(fēng)火輪”，“北理哪吒”實現(xiàn)了輪式、足式和輪足復(fù)合式運動，綜合起來能夠?qū)崿F(xiàn)輪式運動、原地轉(zhuǎn)動、變輪距運動、變高度運動等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
“這個機(jī)器人最大的特點是在腿上，就像腳踏風(fēng)火輪的哪吒一樣，風(fēng)風(fēng)火火，各種困難險阻都能跨越。”說起哪吒這一名字的由來，指導(dǎo)教師王軍政教授笑稱道。談笑之間，卻點明了這款機(jī)器人最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是出色的運動驅(qū)動系統(tǒng)。
北理哪吒機(jī)器人基本組成
“北理哪吒”由運動驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、能源動力系統(tǒng)等組成。運動驅(qū)動系統(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)——一體化電動缸。機(jī)器人實現(xiàn)靈活豐富的運動、大承載力和良好的主動隔振效果，高功率密度一體化電動缸是其中的關(guān)鍵。
不同于液壓缸和氣動缸是依靠液、氣的壓力作為驅(qū)動力，電動缸依靠電機(jī)和絲杠等機(jī)械裝置，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，具有高強(qiáng)度、高速度、高精度定位，運動平穩(wěn)，低噪音等優(yōu)勢。自動化學(xué)院運動驅(qū)動與控制研究團(tuán)隊長期以來依托軍工研究優(yōu)勢，不僅成為國內(nèi)最早開展多自由度運動平臺的研究力量，并逐漸在一體化電動缸方面形成研究優(yōu)勢，孕育一批重要的研究成果。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊學(xué)生們才能大膽創(chuàng)新，將這個“顛覆”方案從設(shè)想變作現(xiàn)實，采用新型高功率密度一體化電動缸，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)動能力方面也實現(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“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)器人四個輪子可獨立驅(qū)動，順、逆時針原地可旋轉(zhuǎn)；在遇到障礙物時，可自動調(diào)整輪距和底盤高度實現(xiàn)越障。同時，也可通過環(huán)境感知系統(tǒng)探測路徑，自動實現(xiàn)直線、90度轉(zhuǎn)彎、以及S型彎道等循跡運動。
足式運動“行走”時，“北理哪吒”的最大速度為每小時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)中心對稱，機(jī)器人能夠“縱橫”漫步，自由向任何方向直接移動，如果地形復(fù)雜，機(jī)器人憑借腳上的觸覺傳感器，還可以在不平地面上的漫步行走。
“平坦路面時，采用輪式運動，速度快、能源效率高，而復(fù)雜路面時，采用足式運動，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、越障能力好。輪足復(fù)合運動時，機(jī)器人可以實現(xiàn)主動隔震并實時調(diào)整，保證水平穩(wěn)定。”“北理哪吒”能自主切換運動模式，適應(yīng)不同的環(huán)境，這樣的“腿功”離不開團(tuán)隊在復(fù)雜運動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“為走而走”的機(jī)器，這在同學(xué)們策劃項目之初，就在老師的指導(dǎo)下，有所考慮。創(chuàng)新方案設(shè)計，也賦予了其在承載力和隔震效果方面驚人的潛力。
這臺 “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，四個成年人直接乘坐，運動自如，如此負(fù)重續(xù)航可分別達(dá)到足式運動1小時、輪式運動2小時和輪足復(fù)合式運動45分鐘。從負(fù)載重量與功率比來看，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，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，要實現(xiàn)兼顧通過性、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)多自由度平臺和輪足相結(jié)合作為支撐，特別是性能出色的一體化電動缸作為基本驅(qū)動裝置，充分發(fā)揮了其控制準(zhǔn)確、精度高的特點，使得動作過程平穩(wěn)到位。而在最能考驗隔振效果的輪足復(fù)合運動過程中，對振動可實現(xiàn)快速響應(yīng)，“瞬間”化解沖擊，確保平臺的整體平穩(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。
除了以上的“神力”之外，團(tuán)隊還為“北理哪吒”安裝了GPS、激光雷達(dá)和雙目視覺功能的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。由于運動方式靈活、能源效率高、地形適應(yīng)性強(qiáng)和負(fù)載能力大等優(yōu)勢，“北理哪吒”應(yīng)用前景廣泛。例如在軍用領(lǐng)域，既可以作為移動式無人武器平臺，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，實施搶險救災(zāi)和資源勘探，還可以為殘障人士提供服務(wù)保障等。
運動驅(qū)動與控制研究團(tuán)隊
“北理哪吒”并不似神仙騰云駕霧，也沒有花哨的三頭六臂，原始創(chuàng)新的背后，并無太多傳奇。北理工學(xué)子們腳踏實地創(chuàng)新研究的基礎(chǔ)，來自于多年服務(wù)軍工國防中積淀的學(xué)科優(yōu)勢，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、鼓勵創(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)新項目的同學(xué)們，更深深懂得不僅要埋頭于實踐中扎實鉆研，把研究踏實做透，也要抬起頭關(guān)注前沿，瞄準(zhǔn)一流。
