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惊艳!哈工大本科生做出四足机器人“踏浪”,大战ROBOCON赛场!

AICODER官方 发布于: 2019年7月13日 8时15分52秒 阅读366次

  导读:每年大学生们的机器人大赛,都会让人看得激情澎湃。一群初出茅庐的大学生,自己亲手搭建机器人,并在赛场上尽情挥洒汗水与激情的场景都会让无数人动容。而今年的 Robocon 大赛,由于四足机器人赛题的加入,显得尤为好看。其中来自哈尔滨工业大学的四足机器人便深深吸引了我的眼光。

  来源:机器人大讲堂(ID:RoboSpeak)

  本文由哈工大竞技机器人队队长提供技术支持,机器人大讲堂作者小木编辑整理

  近几年来,由于种种原因,四足机器人成为很多高校与公司争相研发的机器人项目。其中一些国外公司与高校的明星产品,频频刷爆我们的朋友圈。但与之对比我们了解到的国内四足却很少,所幸的是今年 Robocon2019 赛题中便有一项关于四足机器人的比赛,从众多参赛的团队中也让我们看到了中国大学生在创造四足机器人的能力上是完全不输国外学生的。

  在比赛中,来自哈工大竞技机器人队的四足机器人动作灵活、速度惊人,并获得了全国季军,马术单项赛竞速组冠军的好成绩。下面就让我们一起来看一下来自哈工大的四足机器人。

  哈工大竞技机器人队 

  哈工大我们自是不必过多介绍,这所有着近百年历史的中国双一流大学,在众多学科领域的贡献与排名我们都有目共睹,是一众莘莘学子们可望而不可即的国内顶级学府。

  在这所学校中,也成长着一支非常优秀的机器人团队——哈工大竞技机器人队。该团队成立于 2002 年,由哈尔滨工业大学校团委的指导和组织,全校各专业学生自愿报名参加组成。该团队经过 18 年的技术积淀,建立了机械,控制,硬件,传感等全面全自主的技术体系。参与亚太大学生机器人大赛 robocon,全国大学生机器人大赛 robomaster,icra dji 人工智能挑战赛等国内外机器人赛事,和其他各类创新创业赛事,取得了多次冠军和全国一等奖等荣誉。

  哈工大四足机器人“踏浪” 

  Robocon 比赛是亚洲广播联合会(ABU)在 2002 年发起的一个大学生机器人创意和制作比赛。比赛每年发布一个新规则,需要参赛者综合运用机械、电子、控制等技术手段完成规则设置的任务,可以说是本科阶段最高机器人赛事。作为高技术门槛的机器人竞赛平台,自 2002 年来,已经成功举办了 16 届,国内先后有百余所院校踊跃参加,多年以来参赛的同学亲切的将之称为萝卜坑。

  今年,Robocon2019 赛题中,其中一部分要求是制作一个四足机器人,需要实现直线,转弯,越障,过绳,上坡等功能。哈工大机器人对的队员们针对赛题,在机械控制和硬件上开展了 8 个多月的研发工作。最终完成了一个可以实现跳跃和高速奔跑的通用四足机器人“踏浪”。


“踏浪”在户外移动

  经过几轮的设计迭代,“踏浪”被设计为并联的 8 自由度四足机器人,并搭载了视觉系统,通过识别场地中元素,获得自身位置信息。机械与硬件整体成本还控制在了 1 万元人民币左右。


收到指令后,撒丫子就跑的“踏浪”

  机械上,“踏浪”的每条腿使用并联构型,虽然并联构型在工作空间和尺寸上有劣势,但是在出力和速度上较串联构型有优势,这种方案非常适合电机性能较差的条件。同时采用了主流的低减速比搭配大扭矩无刷电机的驱动方案。

  考虑到成本问题,团队使用了一级齿轮传动,大齿轮使用尼龙齿圈小齿轮使用铝合金齿轮,最终实现了 5.8:1 的减速比。虽然 8 自由度方案,无法实现机器人全向移动,但是通过差动转向的方式,足够满足实际需求。


“踏浪”快速上坡

  控制上,使用 stm32 与 FPGA 作为控制算法的硬件平台,通过自行设计制作的有感 FOC 驱动器实现对电机的力矩控制,并使用阻抗控制方法实现了腿足的主动柔顺效果。在四足逆运动学的基础上,规划足端轨迹,在视觉信息的引导下,最终全自动地完成比赛。使用 IMU 反馈做姿态稳定控制,并在腿足上安装压力传感器,实现碰撞检测。


“踏浪”跳跃障碍物

  视觉上,使用 Intel 微型电脑作为处理平台,传感器使用华硕 Xtion Pro Live 深度相机,与 270 度舵机结合,实现对赛场环境的多方位扫描。算法方面以 Point Cloud Library 及 OpenCV 等开源计算机视觉库为基础,对深度相机采集的场地特征进行识别分析,得到机器人当前的绝对位置,指导机器人行进及完成特定动作;通过三维点云与二维图像的结合与转换,加快算法速度,提高识别效率。


登顶瞬间

  桌面级 12 自由度四足机器人 

  另外,在备赛期间,出于对 12 自由度四足的兴趣和宣传需要,该团队还设计制作了一款桌面级的四足机器人。可以实现全向移动和机体六自由度控制,并基于 IMU 做了地形适应和自稳定功能。动力部分使用 12 个总线舵机,机体采用全 3D 打印结构。


小型桌面四足机器人

  这款小四足相比前面的大家伙似乎更可爱了一点,而且也实现了各种功能,看上去真想自己做一个养在家里呢!


小狗 MU 自稳


小狗地形适应


小狗全向移动


小狗姿态控制

  而且团队还将这款桌面级的四足机器人的制作教程发布到了网上,方便喜欢四足机器人的同学自己动手完成。

  有感兴趣的同学,可以前往 bilibili 网站搜索视频教程:

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

  此外

  如果您想要了解更多关于哈工大竞技机器人队的消息,可以搜索微信公众号【哈工大竞技机器人队】关注他们。


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