北航丁希仑教授团队——具有可折展特性的腿臂融合四足机器人多模态设计与分析|CJME论文推荐|丁希仑|北航|四足机器人|折展|支链|构型|算法

引用论文

Zhao, F., Wu, Y., Yang, X. et al. Multimode Design and Analysis of an Integrated Leg-Arm Quadruped Robot with Deployable Characteristics. Chin. J. Mech. Eng. 37, 59 (2024). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01040-6

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研究背景及目的

腿臂融合机器人是一种具有腿臂融合分支的移动操作机器人，兼具腿式机器人的复杂地形适应性和操作臂的灵活操作性，可有效克服履带式和轮式移动平台搭载机械臂所组成的机器人移动和操作相分离的缺陷，以满足多工况复杂崎岖地形条件同时对高负载高效快捷移动、高可靠定点灵活操作以及移动操作协同切换等功能兼具的迫切需求。然而，自上世纪90年代腿臂融合机器人的概念出现以来，虽已有较多的新构型被提出和研究，但随着对运载效率、工作稳定性和可靠性等需求的提高，腿臂融合机器人系统设计过程中仍存在一些关键瓶颈难题，以及解决瓶颈难题所带来的科学问题：

(1) 腿臂融合机器人的结构尺寸和操作功能受限于其运载装置体积；

(2) 传统折展设计方法难于直接应用在腿臂融合机器人的设计中；

(3) 多功能相互协调兼容下的模式切换解析与性能评价体系构建问题。

综合上述背景分析，面向航空航天等领域，解决腿臂融合机器人在运载效率和多功能协调兼容所面临的关键瓶颈问题，实现机器人的叠放折展以及各模式之间稳定切换，可为此类机器人的研究领域开辟新的重要分支和发展方向。

本文拟提出一种兼具折展特性和移动操作功能的腿臂融合机器人机构，来解决腿臂融合机器人在航空航天等领域所面临的运载装置体积限制和多功能模式切换问题，这种机器人的支链为开环形式，且在非工作状态时可合理叠放于固定装置中，较大程度地优化其空间占有体积，提高机器人在升空发射、短距离抛投场景时的运载效率。同时，具有折展特性的新型腿臂融合机器人仍保留移动和操作功能，可在展开后完成协同操作、行走攀爬和维修搬运等多种作业模式。

试验方法

本文采用的试验方法如下：

(1) 利用D-H坐标变换法，建立了支链和机器人整体的运动学模型；同时，采用螺旋理论，建立了雅可比矩阵，通过无量纲化的方式表征出支链末端速度和关节速度之间的映射关系。对于可折展四足机器人的动力学模型，本文采用了牛顿-欧拉方法，将操作部分与支撑部分融合，建立了机器人自协作操作模式下的完整力学模型；

(2) 考虑操作支链的动力学影响，以机器人支撑支链的静力学可操作度椭球为目标，提出了一种支撑部分的支链构型与支撑力分布进行最优配置方法，本文利用该方法可以保证机器人能够在最佳位姿完成操作任务；

(3) 为保证机器人切换模式过程的稳定性，对机器人各模式之间的切换过程进行了运动分析与稳定裕度计算，通过测算各模式稳定裕度的方法，来验证机器人各模式切换的稳定性；

(4) 通过搭建样机，并测算样机的折展比、移动过程中的步高和步距、定点抓取放置任务，来证明本文所提出的可折展腿臂融合四组机器人构型的设计可行性和正确性。

Figure 1ILQR Structure

Figure 2Structures of the chain and reconfigurable joint

结果

(1) 基于运动学模型和动力学模型，本文在第5章对折展四足机器人进行了多模式切换下的稳定裕度计算来评价切换稳定性和可靠性。选取了当杆长L3=200和L3=800mm条件下的稳定裕度值。所得数据显示，在支链展开过程中，稳定裕度值的变化范围为[390, 462]mm，波动范围较大，由操作模式到移动模式切换时，稳定裕度值的变化范围为[130, 240]mm，展示了机器人模式切换的高稳定性。同时，杆长L3=200和L3=800mm所对应的数据曲线变化趋势一致，证明了稳定裕度计算的正确性。

(2) 本文第6.2节，折展四足机器人支链移动轨迹通过Bézier曲线进行规划，并通过控制算法进行了实际轨迹的输出。基于控制算法所得到实际轨迹和理想轨迹相比，其最大误差出现在z方向分量，最大误差值为0.52mm，证明了基于所提出算法可实现对机器人的精确控制。

(3) 本文最后对样机的模式切换实验进行了数据采集，机器人站立后，平台中心点与地面的垂直距离约为220mm。在折展过程中，支链在全展开构型下测得的机器人最大展开尺寸约为803mm，而在初始折叠构型下，机器人平台形成的方形区域边长为370mm，折展比约为1:2.2，具有良好的折展特性。机器人以四足步态进行移动，步态周期为2s，步高为25mm，步距为110mm。

Figure 3Schematic diagram of the three working modes and switching relationship of the ILQR

结论

本文提出了一种具有折展特性的腿臂融合四足机器人，机器人可通过布置在支链末端的可重构关节实现在折展模式、移动模式和操作模式之间直接切换。该机器人的创新之处在于，它不仅可以在指定区域内堆叠，提高搬运效率，而且同时具有操作和运动特性。在此基础上，建立了机构的运动学模型、动力学模型、力学性能和可操作性评价指标。通过所建立的模型和样机实验，验证了机器人各模式，包括折展模式、移动模式和操作模式之间切换的高稳定性和高可靠性，为此类机器人的多模设计和多模切换提供了一种参考方法。在未来的工作中，我们将进行更多的原型实验，以推动此类机器人的广泛应用。

前景与应用

本文主要研究方向是针对空间机构的运载和操作需求，研究兼具折展性能和多操作功能的机器人机构构型的多模式切换设计与分析。此类机器人具有折展性能，可使得机器人叠放于运载装置，优化空间占有体积。其次，机器人兼具有移动操作功能，展开后可以完成多项工作任务。在国防和国家安全领域具有潜在应用，可应用于航天在轨操作、外星采样操作、代替士兵完成侦察、排雷、排爆、掩护作战人员以及战中环境下数据传输任务，提高国防及军事作战水平。当前我国机械化水平、信息智能化技术已取得巨大的发展，对实现机器人的先进设计提供了重要保障，在后续研究中应重点解决机器人耐高温、耐腐蚀以及结构强度等问题，以适应国防军事作战领域的恶劣环境。同时，通过提出先进的智能控制技术方法，提高机器人应用的稳定性和可靠性，对我国研制面向航空及国防领域的特种作业机器人具有重要意义。

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[1] Santos P G D, Garcia E, Estremera J. Quadrupedal locomotion. An introduction to the control of four-legged robots [M]. Springer-Verlag New York, Inc. 2006.

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团队带头人

丁希仑，北航机械工程及自动化学院院⻓，教育部⻓江学者特聘教授（2014），国家杰出⻘年科学基金获得者（2011），国家基金委“仿生机器人基础理论与关键技术〞创新研究群体负责人。在机器人机构学与仿生机器人研究方面取得了突出的成绩，累计在Nature Astronomy、Science Robotics、ASME/IEEE Transactions等权威国际期刊及重要国际会议上发表学术论文200余篇，出版学术专著3部，合作出版中文和英文著作各2部；获授权国家发明专利80余项，其中30余项已成功应用到多个国家重大型号工程中。成果获国家技术发明二等奖（2018年，排名1）以及其它部级科技奖励多项；担任国际机构与机器科学联合会IFTOMM机器人学和机械电子技术委员会委员，中国生产力促进中心协会服务机器人专委会、中国自动化学会人工智能与机器人教育专业委员会副主任委员，国际知名学术期刊Robotica和ASME open Journal of Engineering副主编，航空学报英文版及机械工程学报英文版编委等，曾担任ASME Transaction JMR（2013-2019）副主编、ASME/IEEE/IFTOMM等多个本学科领域国际会议的主席、组委会主席或分会主席。

作者介绍

赵福群（第一作者），1992年生，北京航空航天大学机器人研究所博士后，2019年10月至2020年11月受国家留学基金委资助在美国俄亥俄州立大学进行博士联合培养，于2021年获得北京交通大学机械工程博士学位，于2016年获得北京交通大学机械工程硕士学位，主要研究方向为机器人构型设计、并联机构构型综合等。以第一作者身份发表SCI/EI学术论文10篇，代表作发表在Mechanism and Machine Theory、Chinese Journal of Mechanical Engineering、机械工程学报等期刊上。

近年团队发表文章

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作者：赵福群

责任编辑：谢雅洁

责任校对：向映姣

审核：张强

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