驚豔!哈工大做出四足機器人「踏浪」,大戰ROBOCON賽場!

2020-12-05 騰訊網

導讀

每年大學生們的機器人大賽，都會讓人看得激情澎湃。一群初出茅廬的大學生，自己親手搭建機器人，並在賽場上盡情揮灑汗水與激情的場景都會讓無數人動容。而今年的Robocon大賽，由於四足機器人賽題的加入，顯得尤為好看。其中來自哈爾濱工業大學的四足機器人便深深吸引了我的眼光。

本文由哈工大競技機器人隊隊長提供技術支持，機器人大講堂作者小木編輯整理

近幾年來，由於種種原因，四足機器人成為很多高校與公司爭相研發的機器人項目。其中一些國外公司與高校的明星產品，頻頻刷爆我們的朋友圈。但與之對比我們了解到的國內四足卻很少，所幸的是今年Robocon2019賽題中便有一項關於四足機器人的比賽，從眾多參賽的團隊中也讓我們看到了中國大學生在創造四足機器人的能力上是完全不輸國外學生的。

在比賽中，來自哈工大競技機器人隊的四足機器人動作靈活、速度驚人，並獲得了全國季軍，馬術單項賽競速組冠軍的好成績。下面就讓我們一起來看一下來自哈工大的四足機器人。

哈工大競技機器人隊

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雙一流大學，在眾多學科領域的貢獻與排名我們都有目共睹，是一眾莘莘學子們可望而不可即的國內頂級學府。

在這所學校中，也成長著一支非常優秀的機器人團隊——哈工大競技機器人隊。該團隊成立於2002年，由哈爾濱工業大學校團委的指導和組織，全校各專業學生自願報名參加組成。該團隊經過18年的技術積澱，建立了機械，控制，硬體，傳感等全面全自主的技術體系。參與亞太大學生機器人大賽robocon，全國大學生機器人大賽robomaster，icra dji人工智慧挑戰賽等國內外機器人賽事，和其他各類創新創業賽事，取得了多次冠軍和全國一等獎等榮譽。

哈工大四足機器人「踏浪」

Robocon比賽是亞洲廣播聯合會（ABU）在2002年發起的一個大學生機器人創意和製作比賽。比賽每年發布一個新規則，需要參賽者綜合運用機械、電子、控制等技術手段完成規則設置的任務，可以說是本科階段最高機器人賽事。作為高技術門檻的機器人競賽平臺，自2002年來，已經成功舉辦了16屆，國內先後有百餘所院校踴躍參加，多年以來參賽的同學親切的將之稱為蘿蔔坑。

今年，Robocon2019賽題中，其中一部分要求是製作一個四足機器人，需要實現直線，轉彎，越障，過繩，上坡等功能。哈工大機器人對的隊員們針對賽題，在機械控制和硬體上開展了8個多月的研發工作。最終完成了一個可以實現跳躍和高速奔跑的通用四足機器人「踏浪」。

「踏浪」在戶外移動

經過幾輪的設計迭代，「踏浪」被設計為並聯的8自由度四足機器人，並搭載了視覺系統，通過識別場地中元素，獲得自身位置信息。機械與硬體整體成本還控制在了1萬元人民幣左右。

收到指令後，撒丫子就跑的「踏浪」

機械上，「踏浪」的每條腿使用並聯構型，雖然並聯構型在工作空間和尺寸上有劣勢，但是在出力和速度上較串聯構型有優勢，這種方案非常適合電機性能較差的條件。同時採用了主流的低減速比搭配大扭矩無刷電機的驅動方案。

考慮到成本問題，團隊使用了一級齒輪傳動，大齒輪使用尼龍齒圈小齒輪使用鋁合金齒輪，最終實現了5.8:1的減速比。雖然8自由度方案，無法實現機器人全向移動，但是通過差動轉向的方式，足夠滿足實際需求。

「踏浪」快速上坡

控制上，使用stm32與FPGA作為控制算法的硬體平臺，通過自行設計製作的有感FOC驅動器實現對電機的力矩控制，並使用阻抗控制方法實現了腿足的主動柔順效果。在四足逆運動學的基礎上，規劃足端軌跡，在視覺信息的引導下，最終全自動地完成比賽。使用IMU反饋做姿態穩定控制，並在腿足上安裝壓力傳感器，實現碰撞檢測。

「踏浪」跳躍障礙物

視覺上，使用Intel微型電腦作為處理平臺，傳感器使用華碩Xtion Pro Live深度相機，與270度舵機結合，實現對賽場環境的多方位掃描。算法方面以Point Cloud Library及OpenCV等開源計算機視覺庫為基礎，對深度相機採集的場地特徵進行識別分析，得到機器人當前的絕對位置，指導機器人行進及完成特定動作；通過三維點雲與二維圖像的結合與轉換，加快算法速度，提高識別效率。

登頂瞬間

下面讓我們欣賞一下有關「踏浪」機器人的比賽實況：

桌面級12自由度四足機器人

另外，在備賽期間，出於對12自由度四足的興趣和宣傳需要，該團隊還設計製作了一款桌面級的四足機器人。可以實現全向移動和機體六自由度控制，並基於IMU做了地形適應和自穩定功能。動力部分使用12個總線舵機，機體採用全3D列印結構。

小型桌面四足機器人

這款小四足相比前面的大傢伙似乎更可愛了一點，而且也實現了各種功能，看上去真想自己做一個養在家裡呢！

小狗MU自穩

小狗地形適應

小狗全向移動

小狗姿態控制

而且團隊還將這款桌面級的四足機器人的製作教程發布到了網上，方便喜歡四足機器人的同學自己動手完成。

有感興趣的同學，可以前往bilibili網站搜索視頻教程：

https://www.bilibili.com/video/av49584364

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