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　　“上下顛倒”跳出華麗舞步

　　北理哪吒仿真模型

　　當前，移動機器人應用領域的迅猛擴展對其運動性能要求日益提高，要求機器人具有很好的運動速度、穩定性、負載能力和地形適應性，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。

　　自動化學院運動驅動與控制研究團隊曾在2010年參與了國家“863”計劃項目——液壓四足機器人協同驅動控制研究。課題組的研究生們正是通過對四足機器人的研究，在指導教師的鼓勵和指導下，大膽提出了一個“顛覆”性的技術方案，即將通常使用的并聯式六自由度平臺“上下顛倒”，化“臺”為“腿”，并在“腿上”加裝輪足機構。這一填補了國內外四足機器人研究空白的方案，極具創新性，堪稱“北理工首創”。

　　然而，創新從來都不是空中樓閣，之所以能夠產生“上下顛倒”的創新想法，離不開團隊在并聯式多自由度平臺方面多年積累的研究優勢，深厚的學術土壤，才讓同學們的創新種子得以開花結果。

　　多自由度平臺就是一種完全再現物體在空間六個自由度運動的可控機械裝置，而這種再現還必須實現高精度、高頻響和高穩定性等要求。另外，由于裝置中桿件之間還有相互影響，所以研究難度遠遠大于我們熟悉的機械手臂等串聯式平臺。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調，還要考慮四條腿一起運動時的控制協調，24根電動缸的“和諧共處”，給項目帶來巨大挑戰。

　　“我們需要解決單腿的控制，四條腿的協調控制、減震設計以及環境感知等一系列問題，才能真正實現機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。”說起設計過程，團隊中的劉冬琛同學不無感慨。

　　除了做好運動協調，為腿上加裝輪足裝置，又是一個新的技術難點。加裝輪足裝置，可以讓機器人的通過性、靈活度等變得更強，但在 “走路”的時候，卻需要有體積足夠小，質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，經過長時間的精確計算和多次仿真模擬，同學們才終于攻克這個問題。

　　正是這種創新的“倒置”設計，再穿上“風火輪”，“北理哪吒”實現了輪式、足式和輪足復合式運動，綜合起來能夠實現輪式運動、原地轉動、變輪距運動、變高度運動等10種“華麗舞步”，不僅能自由“走跑”，還能根據障礙情況，或“劈腿矮身”，或“旋轉滑步”，可謂靈活非凡。

　　威風“哪吒”，功夫出在腿上

　　“這個機器人最大的特點是在腿上，就像腳踏風火輪的哪吒一樣，風風火火，各種困難險阻都能跨越。”說起哪吒這一名字的由來，指導教師王軍政教授笑稱道。談笑之間，卻點明了這款機器人最關鍵的環節就是出色的運動驅動系統。

　　北理哪吒機器人基本組成

　　“北理哪吒”由運動驅動系統和控制系統、環境感知系統、組合導航系統、能源動力系統等組成。運動驅動系統是“腿腳”，由一組組桿狀機構組成，造型酷帥。外行看熱鬧，內行看門道，殊不知，正是這一根根“桿件”才是“北理哪吒”的核心技術——一體化電動缸。機器人實現靈活豐富的運動、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鍵。

　　不同于液壓缸和氣動缸是依靠液、氣的壓力作為驅動力，電動缸依靠電機和絲杠等機械裝置，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，具有高強度、高速度、高精度定位，運動平穩，低噪音等優勢。自動化學院運動驅動與控制研究團隊長期以來依托軍工研究優勢，不僅成為國內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勢，孕育一批重要的研究成果。

　　在此基礎上，團隊學生們才能大膽創新，將這個“顛覆”方案從設想變作現實，采用新型高功率密度一體化電動缸，將電機軸與絲杠桿結構合一，不僅外形更為緊湊，在驅動能力方面也實現較大提升。

參加“挑戰杯”比賽期間吸引眾多觀眾

　　本次參加全國“挑戰杯”的“北理哪吒”，采用輪式滑行最大速度可達每小時30公里，輪距可在0.5米到1米之間調整，機身高度可在1.2米到1.5米之間調整，最大爬坡角度為25°。機器人四個輪子可獨立驅動，順、逆時針原地可旋轉；在遇到障礙物時，可自動調整輪距和底盤高度實現越障。同時，也可通過環境感知系統探測路徑，自動實現直線、90度轉彎、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。由于結構中心對稱，機器人能夠“縱橫”漫步，自由向任何方向直接移動，如果地形復雜，機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，而復雜路面時，采用足式運動，環境適應性強、越障能力好。輪足復合運動時，機器人可以實現主動隔震并實時調整，保證水平穩定。”“北理哪吒”能自主切換運動模式，適應不同的環境，這樣的“腿功”離不開團隊在復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”的機器，這在同學們策劃項目之初，就在老師的指導下，有所考慮。創新方案設計，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”機器人，總功率為15千瓦，最大承載力達到300公斤，四個成年人直接乘坐，運動自如，如此負重續航可分別達到足式運動1小時、輪式運動2小時和輪足復合式運動45分鐘。從負載重量與功率比來看，表現出色，潛力巨大。

　　除了出色的負重能力之外，要想成為有效的工作平臺，還必須要確保平穩，否則其應用也將大打折扣，但在目前機器人研究中，要實現兼顧通過性、負重能力和隔振性能，可謂挑戰巨大。

　　“北理哪吒”由于其使用倒置并聯多自由度平臺和輪足相結合作為支撐，特別是性能出色的一體化電動缸作為基本驅動裝置，充分發揮了其控制準確、精度高的特點，使得動作過程平穩到位。而在最能考驗隔振效果的輪足復合運動過程中，對振動可實現快速響應，“瞬間”化解沖擊，確保平臺的整體平穩。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，團隊還為“北理哪吒”安裝了GPS、激光雷達和雙目視覺功能的組合導航系統。由于運動方式靈活、能源效率高、地形適應性強和負載能力大等優勢，“北理哪吒”應用前景廣泛。例如在軍用領域，既可以作為移動式無人武器平臺，加裝偵查、火力裝備等，也可以作為戰地后勤保障機器人或步兵班組支援系統，實現在平整道路上的快速突進和復雜地形下的穩定行進，大負載能力，可滿足包括步兵班組裝備攜帶等戰地后勤需求。而在民用領域，可以在復雜地形下，實施搶險救災和資源勘探，還可以為殘障人士提供服務保障等。

　　運動驅動與控制研究團隊

　　“北理哪吒”并不似神仙騰云駕霧，也沒有花哨的三頭六臂，原始創新的背后，并無太多傳奇。北理工學子們腳踏實地創新研究的基礎，來自于多年服務軍工國防中積淀的學科優勢，科學嚴謹、鼓勵創新的學術氛圍，和指導教師的循循善誘。而參與創新項目的同學們，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，也要抬起頭關注前沿，瞄準一流。