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(yùn)動性能要求日益提高,，要求機(jī)器人具有很好的運(yùn)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(yùn)動、履帶或輪式運(yùn)動均難以同時(shí)滿足上述要求,。
自動化學(xué)院運(yùn)動驅(qū)動與控制研究團(tuán)隊(duì)曾在2010年參與了國家“863”計(jì)劃項(xiàng)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(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“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(duì)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(gè)自由度運(yùn)動的可控機(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,。而“北理哪吒”的每條單腿都是一個(gè)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(yùn)動協(xié)調(diào),，還要考慮四條腿一起運(yùn)動時(shí)的控制協(xié)調(diào),，24根電動缸的“和諧共處”，給項(xiàng)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(jì)以及環(huán)境感知等一系列問題,，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時(shí)間仿真模擬的原因，需要考慮的檢測量和控制量實(shí)在是太多了,?！闭f起設(shè)計(jì)過程，團(tuán)隊(duì)中的劉冬琛同學(xué)不無感慨,。
除了做好運(yùn)動協(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)過長時(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,，綜合起來能夠?qū)崿F(xiàn)輪式運(yùn)動,、原地轉(zhuǎn)動、變輪距運(yùn)動,、變高度運(yùn)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(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(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)動驅(qū)動系統(tǒng),。
北理哪吒機(jī)器人基本組成
“北理哪吒”由運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)靈活豐富的運(yùn)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(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動,，具有高強(qiáng)度,、高速度、高精度定位,，運(yùn)動平穩(wěn),，低噪音等優(yōu)勢。自動化學(xué)院運(yùn)動驅(qū)動與控制研究團(tuán)隊(duì)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(yùn)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(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(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“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，順,、逆時(shí)針原地可旋轉(zhuǎn),；在遇到障礙物時(shí)，可自動調(diào)整輪距和底盤高度實(shí)現(xiàn)越障,。同時(shí),，也可通過環(huán)境感知系統(tǒng)探測路徑，自動實(shí)現(xiàn)直線,、90度轉(zhuǎn)彎,、以及S型彎道等循跡運(yùn)動。
足式運(yùn)動“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(shí),，采用輪式運(yùn)動,，速度快、能源效率高,，而復(fù)雜路面時(shí),，采用足式運(yùn)動，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),、越障能力好,。輪足復(fù)合運(yùn)動時(shí)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)主動隔震并實(shí)時(shí)調(diào)整,，保證水平穩(wěn)定,。”“北理哪吒”能自主切換運(yùn)動模式,，適應(yīng)不同的環(huán)境,，這樣的“腿功”離不開團(tuán)隊(duì)在復(fù)雜運(yùn)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(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 “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)動自如,，如此負(fù)重續(xù)航可分別達(dá)到足式運(yùn)動1小時(shí)、輪式運(yùn)動2小時(shí)和輪足復(fù)合式運(yùn)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(shí)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(diǎn)，使得動作過程平穩(wěn)到位,。而在最能考驗(yàn)隔振效果的輪足復(fù)合運(yùn)動過程中,，對振動可實(shí)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(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)和雙目視覺功能的組合導(dǎo)航系統(tǒng),。由于運(yùn)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(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)動驅(qū)動與控制研究團(tuán)隊(duì)
“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(shí)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(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,。
