每年大學(xué)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(xué)生，自己親手搭建機器人，并在賽場上盡情揮灑汗水與激情的場景都會讓無數(shù)人動容。而今年的 Robocon 大賽，由于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(yè)大學(xué)的四足機器人便深深吸引了我的眼光。

近幾年來，由于種種原因，四足機器人成為很多高校與公司爭相研發(fā)的機器人項目。其中一些國外公司與高校的明星產(chǎn)品，頻頻刷爆我們的朋友圈。但與之對比我們了解到的國內(nèi)四足卻很少，所幸的是今年 Robocon2019 賽題中便有一項關(guān)于四足機器人的比賽，從眾多參賽的團隊中也讓我們看到了中國大學(xué)生在創(chuàng)造四足機器人的能力上是完全不輸國外學(xué)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，并獲得了全國季軍，馬術(shù)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(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內(nèi)頂級學(xué)府。

在這所學(xué)校中，也成長著一支非常優(yōu)秀的機器人團隊 —— 哈工大競技機器人隊。該團隊成立于 2002 年，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)校團委的指導(dǎo)和組織，全校各專業(yè)學(xué)生自愿報名參加組成。該團隊經(jīng)過 18 年的技術(shù)積淀，建立了機械，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)生機器人大賽 robocon，全國大學(xué)生機器人大賽 robomaster，icra dji 人工智能挑戰(zhàn)賽等國內(nèi)外機器人賽事，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(lián)合會（ABU）在 2002 年發(fā)起的一個大學(xué)生機器人創(chuàng)意和制作比賽。比賽每年發(fā)布一個新規(guī)則，需要參賽者綜合運用機械、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器人賽事。作為高技術(shù)門檻的機器人競賽平臺，自 2002 年來，已經(jīng)成功舉辦了 16 屆，國內(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四足機器人，需要實現(xiàn)直線，轉(zhuǎn)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，在機械控制和硬件上開展了 8 個多月的研發(fā)工作。最終完成了一個可以實現(xiàn)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(jīng)過幾輪的設(shè)計迭代，“踏浪” 被設(shè)計為并聯(lián)的8 自由度四足機器人，并搭載了視覺系統(tǒng)，通過識別場地中元素，獲得自身位置信息。機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，但是在出力和速度上較串聯(lián)構(gòu)型有優(yōu)勢，這種方案非常適合電機性能較差的條件。同時采用了主流的低減速比搭配大扭矩無刷電機的驅(qū)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(xiàn)了 5.8:1 的減速比。雖然 8 自由度方案，無法實現(xiàn)機器人全向移動，但是通過差動轉(zhuǎn)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 作為控制算法的硬件平臺，通過自行設(shè)計制作的有感 FOC 驅(qū)動器實現(xiàn)對電機的力矩控制，并使用阻抗控制方法實現(xiàn)了腿足的主動柔順效果。在四足逆運動學(xué)的基礎(chǔ)上，規(guī)劃足端軌跡，在視覺信息的引導(dǎo)下，最終全自動地完成比賽。使用 IMU 反饋做姿態(tài)穩(wěn)定控制，并在腿足上安裝壓力傳感器，實現(xiàn)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(jié)合，實現(xiàn)對賽場環(huán)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(chǔ)，對深度相機采集的場地特征進(jìn)行識別分析，得到機器人當(dāng)前的絕對位置，指導(dǎo)機器人行進(jìn)及完成特定動作；通過三維點云與二維圖像的結(jié)合與轉(zhuǎn)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(guān) “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，出于對 12 自由度四足的興趣和宣傳需要，該團隊還設(shè)計制作了一款桌面級的四足機器人。可以實現(xiàn)全向移動和機體六自由度控制，并基于 IMU 做了地形適應(yīng)和自穩(wěn)定功能。動力部分使用 12 個總線舵機，機體采用全 3D 打印結(jié)構(gòu)。

小型桌面四足機器人

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

小狗 MU 自穩(wěn)

小狗地形適應(yīng)

小狗全向移動

小狗姿態(tài)控制

而且團隊還將這款桌面級的四足機器人的制作教程發(fā)布到了網(wǎng)上，方便喜歡四足機器人的同學(xué)自己動手完成。

有感興趣的同學(xué)，可以前往 bilibili 網(wǎng)站搜索視頻教程：

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