每年大學(xué)生們的機(jī)器人大賽，都會(huì)讓人看得激情澎湃。一群初出茅廬的大學(xué)生，自己親手搭建機(jī)器人，并在賽場(chǎng)上盡情揮灑汗水與激情的場(chǎng)景都會(huì)讓無數(shù)人動(dòng)容。而今年的 Robocon 大賽，由于四足機(jī)器人賽題的加入，顯得尤為好看。其中來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的四足機(jī)器人便深深吸引了我的眼光。

近幾年來，由于種種原因，四足機(jī)器人成為很多高校與公司爭(zhēng)相研發(fā)的機(jī)器人項(xiàng)目。其中一些國(guó)外公司與高校的明星產(chǎn)品，頻頻刷爆我們的朋友圈。但與之對(duì)比我們了解到的國(guó)內(nèi)四足卻很少，所幸的是今年 Robocon2019 賽題中便有一項(xiàng)關(guān)于四足機(jī)器人的比賽，從眾多參賽的團(tuán)隊(duì)中也讓我們看到了中國(guó)大學(xué)生在創(chuàng)造四足機(jī)器人的能力上是完全不輸國(guó)外學(xué)生的。

在比賽中，來自哈工大競(jìng)技機(jī)器人隊(duì)的四足機(jī)器人動(dòng)作靈活、速度驚人，并獲得了全國(guó)季軍，馬術(shù)單項(xiàng)賽競(jìng)速組冠軍的好成績(jī)。下面就讓我們一起來看一下來自哈工大的四足機(jī)器人。

哈工大競(jìng)技機(jī)器人隊(duì)

哈工大我們自是不必過多介紹，這所有著近百年歷史的中國(guó)雙一流大學(xué)，在眾多學(xué)科領(lǐng)域的貢獻(xiàn)與排名我們都有目共睹，是一眾莘莘學(xué)子們可望而不可即的國(guó)內(nèi)頂級(jí)學(xué)府。

在這所學(xué)校中，也成長(zhǎng)著一支非常優(yōu)秀的機(jī)器人團(tuán)隊(duì) —— 哈工大競(jìng)技機(jī)器人隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)成立于 2002 年，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)校團(tuán)委的指導(dǎo)和組織，全校各專業(yè)學(xué)生自愿報(bào)名參加組成。該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過 18 年的技術(shù)積淀，建立了機(jī)械，控制，硬件，傳感等全面全自主的技術(shù)體系。參與亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽 robocon，全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽 robomaster，icra dji 人工智能挑戰(zhàn)賽等國(guó)內(nèi)外機(jī)器人賽事，和其他各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事，取得了多次冠軍和全國(guó)一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

哈工大四足機(jī)器人 “踏浪”

Robocon 比賽是亞洲廣播聯(lián)合會(huì)（ABU）在 2002 年發(fā)起的一個(gè)大學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)意和制作比賽。比賽每年發(fā)布一個(gè)新規(guī)則，需要參賽者綜合運(yùn)用機(jī)械、電子、控制等技術(shù)手段完成規(guī)則設(shè)置的任務(wù)，可以說是本科階段最高機(jī)器人賽事。作為高技術(shù)門檻的機(jī)器人競(jìng)賽平臺(tái)，自 2002 年來，已經(jīng)成功舉辦了 16 屆，國(guó)內(nèi)先后有百余所院校踴躍參加，多年以來參賽的同學(xué)親切的將之稱為蘿卜坑。

今年，Robocon2019 賽題中，其中一部分要求是制作一個(gè)四足機(jī)器人，需要實(shí)現(xiàn)直線，轉(zhuǎn)彎，越障，過繩，上坡等功能。哈工大機(jī)器人對(duì)的隊(duì)員們針對(duì)賽題，在機(jī)械控制和硬件上開展了 8 個(gè)多月的研發(fā)工作。最終完成了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)跳躍和高速奔跑的通用四足機(jī)器人 “踏浪”。

“踏浪” 在戶外移動(dòng)

經(jīng)過幾輪的設(shè)計(jì)迭代，“踏浪” 被設(shè)計(jì)為并聯(lián)的8 自由度四足機(jī)器人，并搭載了視覺系統(tǒng)，通過識(shí)別場(chǎng)地中元素，獲得自身位置信息。機(jī)械與硬件整體成本還控制在了1 萬元人民幣左右。

收到指令后，撒丫子就跑的 “踏浪”

機(jī)械上，“踏浪” 的每條腿使用并聯(lián)構(gòu)型，雖然并聯(lián)構(gòu)型在工作空間和尺寸上有劣勢(shì)，但是在出力和速度上較串聯(lián)構(gòu)型有優(yōu)勢(shì)，這種方案非常適合電機(jī)性能較差的條件。同時(shí)采用了主流的低減速比搭配大扭矩無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案。

考慮到成本問題，團(tuán)隊(duì)使用了一級(jí)齒輪傳動(dòng)，大齒輪使用尼龍齒圈小齒輪使用鋁合金齒輪，最終實(shí)現(xiàn)了 5.8:1 的減速比。雖然 8 自由度方案，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全向移動(dòng)，但是通過差動(dòng)轉(zhuǎn)向的方式，足夠滿足實(shí)際需求。

“踏浪” 快速上坡

控制上，使用 stm32 與 FPGA 作為控制算法的硬件平臺(tái)，通過自行設(shè)計(jì)制作的有感 FOC 驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的力矩控制，并使用阻抗控制方法實(shí)現(xiàn)了腿足的主動(dòng)柔順效果。在四足逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，規(guī)劃足端軌跡，在視覺信息的引導(dǎo)下，最終全自動(dòng)地完成比賽。使用 IMU 反饋?zhàn)鲎藨B(tài)穩(wěn)定控制，并在腿足上安裝壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)。

“踏浪” 跳躍障礙物

視覺上，使用 Intel 微型電腦作為處理平臺(tái)，傳感器使用華碩 Xtion Pro Live 深度相機(jī)，與 270 度舵機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)賽場(chǎng)環(huán)境的多方位掃描。算法方面以 Point Cloud Library 及 OpenCV 等開源計(jì)算機(jī)視覺庫為基礎(chǔ)，對(duì)深度相機(jī)采集的場(chǎng)地特征進(jìn)行識(shí)別分析，得到機(jī)器人當(dāng)前的絕對(duì)位置，指導(dǎo)機(jī)器人行進(jìn)及完成特定動(dòng)作；通過三維點(diǎn)云與二維圖像的結(jié)合與轉(zhuǎn)換，加快算法速度，提高識(shí)別效率。

登頂瞬間

下面讓我們欣賞一下有關(guān) “踏浪” 機(jī)器人的比賽實(shí)況：

桌面級(jí) 12 自由度四足機(jī)器人

另外，在備賽期間，出于對(duì) 12 自由度四足的興趣和宣傳需要，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)制作了一款桌面級(jí)的四足機(jī)器人?？梢詫?shí)現(xiàn)全向移動(dòng)和機(jī)體六自由度控制，并基于 IMU 做了地形適應(yīng)和自穩(wěn)定功能。動(dòng)力部分使用 12 個(gè)總線舵機(jī)，機(jī)體采用全 3D 打印結(jié)構(gòu)。

小型桌面四足機(jī)器人

這款小四足相比前面的大家伙似乎更可愛了一點(diǎn)，而且也實(shí)現(xiàn)了各種功能，看上去真想自己做一個(gè)養(yǎng)在家里呢！

小狗 MU 自穩(wěn)

小狗地形適應(yīng)

小狗全向移動(dòng)

小狗姿態(tài)控制

而且團(tuán)隊(duì)還將這款桌面級(jí)的四足機(jī)器人的制作教程發(fā)布到了網(wǎng)上，方便喜歡四足機(jī)器人的同學(xué)自己動(dòng)手完成。

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