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01 项目简介 目前大多数机器人主要是采用轮式的移动方式，这类运动方式需要连续的地形，对复杂地形的适应能力较差，很难兼顾室内外的作业环境。相对而言，四足机器人离散落脚点的运动方式具有更加优越的运动灵活性和环境适应性，可实现复杂/危险地形和环境下的通行与作业。本项目以四足机器人为平台，对标美国波士顿动力的四足机器人，开展仿生机构设计、运动规划与控制、以及环境感知等关键技术研究，在科研教育、电力巡检、智慧安防、物流运输等行业中具有广阔的应用前景。 四足机器人“绝影”突破了动态稳定平衡控制的关键技术，在国内首次实现了快速跑步运动、上下台阶、倒地爬起、以及环境感知和自主导航等功能，在适应非结构复杂地形上具有独特优势。 本项目针对四足机器人适应复杂环境下的运动快速性和稳定性问题，开展了腿足机器人的动态平衡控制方法研究，提出了计算速度控制的稳定轨道准则以及姿态平衡控制角动量平衡方法，在国内率先实现了机器人的快速稳定行走和跑步运动，最高速度超过6km/h，可适应草地、雪地、碎石子路面、上下12cm高台阶和30°斜坡。本项目的研制成功在国内外引起了广泛关注，对提升我国腿足机器人的国际影响力、促进我国机器人技术发展起到重要作用。 02 项目团队 本项目由控制学院朱秋国和熊蓉共同带领团队完成的。朱秋国是浙江大学控制学院讲师，硕士生导师，第28届国际机器人竞赛IDC Robocon执行主席，IET会员。从事仿人机器人，仿生机器人，机器智能等研究，先后参与了乒乓球机器人“悟空”的研制工作，主持四足机器人“赤兔”和“绝影”的研制工作，发表学术论文30余篇，授权发明专利20余项，授权美国发明专利1项， 2013年浙江省科技奖一等奖，2014年浙江省教学成果奖一等奖，2017年浙江大学信息学部青年创新奖获得者，2017年浙江大学先进工作者。 03 科学解读 “绝影”是一只靠电机驱动的“机器狗”，它身长1米，四足站立时60厘米高，重70千克，最大负载20千克，续航时间可达2小时。它已掌握了爬陡坡、在碎石子路上行走、自主蹲下再站起来等运动能力，自带智能感知模块，可构建复杂环境的3D-Map，具有自主定位和导航等功能。 图1. 绝影机器人 “绝影”的名字，源自一代枭雄曹操的坐骑“绝影”。在讨伐张绣之战中，曹操被骗，中计仓皇逃走，护了主人一命的就是名驹“绝影”。《三国》中的“绝影”，最终被乱箭射杀壮烈而死。 此“绝影”问世后，带着彼“绝影”良驹的风范——英俊、忠诚；而且战斗力更加强劲。“绝影”相貌堂堂，身长1米，四足站立时45厘米高，重70公斤，在四足机器人中算大个子。最大负荷20公斤，续航2小时。 此前，这只狗已经掌握了跑跳、爬梯子、在碎石子路上行走、自主蹲下再站起来等许多能力。它动作自然柔顺，反应快速准确，面对复杂环境表现出很强的适应力。 图2. 绝影机器人 就像真实的动物那样，“绝影”的“大脑”能够快速分析自己的处境，然后命令四肢做出相应的动作防止自己摔倒。就算真摔倒了，它也能自主翻身，再爬起来。做到这些，“绝影”需要发达的神经系统，因为他们采用了高实时性的操作系统，并自主开发一系列驱动程序，使信息的传输大大提速。而“绝影”一举一动那种自然的节奏和神韵，还要归功于精妙的机械设计。就像人类的四肢一样，“绝影”的四肢也是通过力控的，可以与环境实现更好的交互，不像流水线上硬邦邦的机械臂那样沿着严格的轨迹死板运动。这将有利于它走出实验室，在日常环境中真正发挥作用。 四足机器人拥有广阔的应用前景。它们不依靠轮子或履带，噪声小，几乎无污染，可以在人类身边工作，执行巡逻、安防等任务；也可以代替人类在各种极限环境中工作。抗震救灾时人员或者飞机无法抵达的情况下，可以用四足机器人探寻生命迹象；太空探索中，轮式移动机器人可能会被障碍物挡住，但四足机器人可以轻松越过障碍物。在未来，它的一个重要功能是完成巡逻任务，走楼梯是一项必备技能。同时，它可以负重20公斤的物资，可以搭载摄像头、检测设备等，很好地承担巡检职能。 [1] Qiuguo Zhu, Yichao Mao, Rong Xiong, Jun Wu. Adaptive torque and position control for legged robot based on series elastic actuator. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2016, 13:26 | doi: 10.5772/62204. [2] Yi Jiang, Qiuguo Zhu, Rong Xiong, Jun Wu. Walking Algorithm of Humanoid Robot on Uneven Terrain with Terrain Estimation. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2016, 13:35 | doi: 10.5772/62245. [3] Yichao Mao, Qiuguo Zhu, Chunlin Zhou and Rong Xiong. Standing posture control of biped under unknown payload variations and external disturbances. International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 14, No. 3 (2017) 1750014, DOI: 10.1142/S0219843617500141. [4] Zhibin Li, Chengxu Zhou,Qiuguo Zhu, Rong Xiong. Humanoid balancing behavior feature by underactuated foot motion. IEEE Transaction on Robotics, 2017, PP(99):1-15. [5] Qiuguo Zhu, Rong Xiong, Jian Chu. PLANAR TORSION SPRING FOR ROBOT JOINT, US, EDP131003US. Date of Patent: Jul. 21, 2015. 项目名称：四足机器人动态稳定运动控制研究 申报单位：控制科学与工程学院 负责人：朱秋国 熊蓉 本文来源：求是风采 |
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