山東大學研究團隊提出帶四旋翼輔助行走功能的雙足機器人KOU-III

2026-04-13 一加科技

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近年來，腿足機器人因其能夠跨越多種復雜地形及具有仿生學意義而備受業界關注。然而，與動物和人類相比，其在機動性和穩定性方面仍存在一定差距。

為了提升腿足機器人的性能，此前有研究人員在優化腿部結構和運動控制算法等方面進行了諸多嘗試。這些努力雖然取得了一定成效，但機器人仍依賴于支撐腿來平衡擺動腿所產生的角動量，來維持運動過程中的穩定性。隨著機器人機動性的不斷提升，腿部擺動頻率的增加、步長的增大以及支撐腿支撐時間的減少，都對機器人的穩定性和整體性能構成了新的限制。如何更有效地調節這些因素，以進一步提高腿足機器人的性能，成為該領域面臨的一大挑戰。

ù蔥律杓芀OU-III ，利用四旋翼輔助顯著提升性能

有研究人員從仿生學角度尋求突破，并受人類和動物在高速運動時采用輔助機制增強性能的啟發，探索為腿足機器人添加輔助機制的可能性。在這一方向上，有的研究團隊通過模仿獵豹尾巴設計質量塊來輔助機器人行走，有的則嘗試利用氣動輔助，如安裝可折疊固定翼或旋翼等。

此前，來自山東大學控制科學與工程學院的一研究團隊曾針對如何通過旋翼輔助實現高機動性雙足機器人的問題，提出了一種單腿平面機器人方案。然而，該方案存在局限性，即機器人無法在受限平面外獨立行走。為了克服這一缺陷，前不久該團隊在前期工作的基礎上進行了深入改進，并成功提出了一種帶有四旋翼輔助行走功能的雙足機器人——KOU-III ，實現了機器人在三維空間中的獨立運動。

在KOU-III機器人的原型設計中，研究團隊針對原膝關節模塊執行器采用的懸臂式輸出機構和小平面鍵連接耦合裝置進行了改進。由于膝關節在運動過程中承受較大載荷，原結構在長期使用后傳動間隙會顯著增加，導致精度下降。為此，團隊將懸臂式結構改為橋式設計，有效提高了結構的剛性和緊湊性。同時，團隊還開發了一套簡潔的運動控制策略，使機器人能夠執行站立、行走和跳躍等多種動作。
為了驗證KOU-III機器人的實際性能，研究團隊開展了一系列實驗測試。測試結果表明，四旋翼輔助顯著提升了雙足機器人的穩定性和運動性能。這一研究成果為使用輔助機制增強腿足機器人性能的研究領域提供了新的思路和方向。
↘OU-III的原型設計與實現
在原型設計方面， KOU-III雙足機器人的研發主要聚焦于集成膝關節設計、軀干設計以及電氣系統設計三大核心方面，具體如下：
集成膝關節設計
KOU-III采用了基于擺線齒輪減速器的集成膝關節設計，如下圖所示，該設計選用T-motor MN4006電機作為執行器的動力源，將擺線齒輪減速器置于機器人大腿內部，有效減小了腿部整體尺寸，并降低了碰撞和摩擦的風險。此設計的顯著優勢在于，它將兩個輸出機構巧妙地組合成一個橋接連接，確保了力分布的更加均勻，同時在受到沖擊時能夠最小化變形。此外，該輸出機構摒棄了平面鍵連接的使用，從而降低了因鍵松動而導致的傳動間隙風險。盡管將執行器與機器人大腿集成增加了更換的難度，但它顯著提升了機械結構的穩定性。圖3展示了兩種關節執行器輸出機構的靜態應力分析結果，其中對固定輸出連接孔施加6.6Nm的扭矩進行應力模擬。數據顯示，模塊化關節執行器的最大應力為1.577×101 。同時，集成膝關節執行器中的針軸承應力分布更為均勻，進一步證明了其機械穩定性的優勢。

軀干設計
在機器人軀干的設計上，研發團隊綜合考慮了多個關鍵因素：一是最小化機器人的負載；二是防止旋翼觸地，同時最大化軀干的運動范圍；三是最大化旋翼產生的扭矩；四是確保機器人的外觀美觀。
為了減輕機器人負載，軀干采用了低密度高強度的碳纖維板材料。旋翼臂連接到軀干上，旋翼臂的長度直接影響到旋翼對軀干的扭矩大小。然而，隨著旋翼臂長度的增加，旋翼尖端在軀干傾斜時更容易觸地。經過綜合考量，研發團隊將旋翼臂長度設置為稍短的151mm ，既確保了機器人俯仰角有足夠的運動范圍以及較大的旋翼扭矩，又保持了機器人的美觀性。機器人的俯仰角運動范圍達到了±160° 。將上圖中的單腿機構安裝到機器人軀干上，并添加一個滾動關節執行器，至此，旋翼輔助雙足機器人KOU-III的設計得以完成。

電氣系統設計
KOU-III的電氣控制系統設計如下圖所示。與前代產品KOU不同， KOU-III實現了獨立運行，無需基站支持，因此添加了獨立電源系統。考慮到執行器的最大工作電壓為24V ，研發團隊直接使用24V電源為關節執行器和旋翼的電子速度控制器（ESC）供電。對于控制器和信號適配板（需5V電源），則采用了MORNSUN的隔離電源模塊（型號URB4805LD-30WR3）。該模塊輸入電壓范圍18-72V ，輸出電壓5V ，最大電流6A ，完全滿足了系統的電源需求。基于該電源單元的電壓調節模塊也如下圖所示。在信號傳輸方面， KOU-III與KOU的電氣系統保持一致，包括傳輸方法、速率和方向等。

↘OU-III的控制方法
在旋翼的輔助下，雙足機器人有望實現更為出色的動態性能。在控制方法方面，研究團隊采用了一種簡潔直接的控制策略，以驗證機器人的潛力，并展示旋翼輔助在提升機器人敏捷性和機動性方面的顯著效果。
坐標系與機器人模型構建
研究中，團隊定義了世界坐標系（w）和機體坐標系（b）。機器人的左右腿在接觸點處受外部力F_b_l和F_b_r作用。腳端接觸力與關節扭矩關系可通過雅可比矩陣推導，執行器輸入由腳端接觸力表示。同時，通過正向運動學計算，可獲得左右腳的腳端坐標P_b_l和P_b_r 。機體坐標系相對于世界坐標系方向的旋轉矩陣R_w_b ，則由IMU傳感器直接測量得到。為了統一表示，腳端力和坐標均轉換至以機器人中心為原點的世界坐標系中。

基于旋翼配置，旋翼對機器人軀干的調整力和扭矩u_b_p可計算獲得，其中u_b_pfz為總推力， u_b_ptx和u_b_pty為沿機體坐標系x軸和y軸的力矩。與腳端接觸力相比，旋翼產生的反扭矩可忽略不計，因此在機器人軀干的影響分析中未予考慮。為了調節旋翼的貢獻， u_b_pfz被設置為常數k_p乘以旋翼產生的最大推力f_p_max ，其中k_p用于調整旋翼的貢獻程度。推力u_b_pfz通過R_w_b轉換到世界坐標系中，得到相應的推力向量。旋翼引起的偏航控制力矩被忽略，力矩轉換到世界坐標系中得到相應的扭矩向量。機器人的輸入向量也進行了重新定義。
此外，團隊將機器人軀干的自由度作為控制目標，并將連桿簡化為無質量連桿，從而推導出機器人的動力學方程。
控制策略制定
在控制策略制定方面，由于控制目標是調節機器人軀干的六個自由度，研究團隊設計了比例-微分（PD）控制器，根據期望的軀干自由度和實際反饋的軀干自由度進行控制。控制輸出從PD控制器分配到腳端力和旋翼扭矩，并考慮了支撐腿的數量和機器人的重力等因素。腳在x和y方向上的接觸力用于控制機器人的姿態，而旋翼的扭矩則用于伺服機器人的前后和左右位移，這種方法有效地將旋翼力的延遲轉化為機器人水平位移的精確控制。

為保持姿態穩定性，研究團隊還采用了快速響應的腳接觸力控制機器人姿態。團隊通過將模型納入控制輸入和分配矩陣，形成空間系統方程，并通過分析傳遞矩陣的特征值，驗證了控制策略的收斂性。在獲得腳端力和旋翼扭矩后，研究團隊使用旋轉矩陣將它們轉換到機體坐標系中。最后，每個力和扭矩分別通過其各自的雅可比矩陣轉換為關節扭矩和旋翼升力，并直接應用于執行器。

在站立控制時，機器人根據支撐腿數量計算腳接觸力和旋翼扭矩；在行走控制時，研究團隊設定雙腳不同時接觸地面，并通過保留支撐腿控制扭矩和設定擺動腿腳坐標為零來獲取控制策略，同時利用擺動腿腳放置位置控制偏航角，并采用五次Bézier曲線減少擺動腿沖擊；在跳躍控制時，機器人則通過狀態機和切換過程實現跳躍運動，包括推力、飛行和站立三個狀態，根據不同狀態設定相應的控制目標。
↘OU-III性能實驗與測試
為了進一步驗證KOU-III的穩定性和機動性，研究團隊就KOU-III的站立、行走和跳躍三種運動狀態進行了深入實驗。
站立實驗
在站立實驗中，研究人員發現，具有點接觸腳的雙足機器人通常難以保持靜態站立，但在四旋翼的輔助下，這一難題得到了輕松解決。機器人不僅實現了穩定站立，還表現出了出色的抗干擾能力。在實驗中，研究人員對機器人施加了多次干擾，機器人均能在短時間內迅速恢復穩定，這證實了其出色的穩定性。

行走實驗
行走實驗則進一步驗證了四旋翼輔助對機器人穩定性的提升作用。在有四旋翼輔助的情況下，機器人在原地踏步時的姿態和速度數據均表現出較小的波動，與無輔助時相比有顯著改善。此外，四旋翼輔助還顯著提高了機器人的最大行走速度，使其在沒有摔倒的情況下達到了更快的行走速度。

跳躍實驗
在跳躍實驗中，研究人員重點測試了機器人的跳躍能力和遍歷性。實驗結果顯示，有四旋翼輔助的機器人能夠輕松跳躍到較高臺階上，并在落地后保持穩定站立。同時，通過調整四旋翼的推力，機器人還實現了超過自身高度的跳躍，進一步展示了其出色的機動性。

值得一提的是，該研究團隊在實驗中充分考慮了四旋翼的功率限制和能量消耗問題，僅利用四旋翼輔助機器人的運動，而非完全依賴其推力操作機器人。這一做法不僅降低了實驗成本，還提高了實驗的實用性和可行性。

【山東大學研究團隊提出帶四旋翼輔助行走功能的雙足機器人KOU-III】通過以上一系列實驗，研究團隊驗證了四旋翼輔助雙足機器人在站立、行走和跳躍方面的穩定性和機動性，為雙足機器人的進一步發展提供了有力支持。未來，隨著相關技術的不斷進步和完善，相信四旋翼輔助雙足機器人將在更多領域發揮重要作用。

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