面向广域地形环境的轮/足-腿混合式行走机器人研究

The global and fast response military operations require specialized robots to have the interspecific characteristics of wide - area terrain environment that allows them to not only crawl on cliffs, but also move quickly and efficiently on the ground. However, it is difficult to find a way to integrate the advantages of all kinds of animals and various means of transportation into a robot because of extensity of natural environment and diversity of animal species. Based on the research basis of special vehicles and bionic robots, the research group found that the theory of ground mechanics can reveal the coupling relationship of the internal force/energy between the environment and animal structure/behavior, and then established the relevant evaluation model, and extracted the bionic prototypes and elements for mapping, fusion and iteration. Based on this finding, it is proposed to study the wheel/foot-leg hybrid walking robot for wide-area terrain environment. The coupling mechanism of environment and animal (robot) structure/behavior is revealed by studying " the ground mechanics mechanism of coupling of environment and animal structure/ behavior". The new concept of robot configuration is created through "wheel/foot-leg hybrid walking robot configuration design". The walking target of the robot in the wide-area environment is realized through " the wheel/foot - leg active and passive walking gait planning, dynamic stability and compliant control". And ultimately, the breakthrough of robot configuration design and mechanical analysis under environment-driven is made to provide theoretical and technical support for the robot technology to achieve the original innovation.

全域和快速响应作战，需要特种机器人具有广域地形环境的共融特性，使其既能在悬崖峭壁上攀爬行走，又能在平地上高效快速移动。但由于自然的广博与动物种类多样，难以找到将各类动物和各种交通工具的优点融合在一个机器人上的方法。基于特种车辆和仿生机器人研究基础，本课题组发现地面力学理论可以揭示出环境与动物结构/行为的内在力/能量的耦合关系，进而建立相关的评估模型，抽取仿生原型和元素进行映射、融合与迭代。基于此发现，提出研究面向广域地形环境的轮/足-腿混合式行走机器人，通过研究“环境与动物结构/行为耦合的地面力学机理”揭示环境与动物（机器人）结构/行为的耦合机理，通过“轮/足-腿混合式行走机器人构型设计”产生新概念机器人构型，通过”轮/足-腿主被动行走步态规划与动态稳定、柔顺控制”实现机器人在广域环境下的行走目标。最终突破环境驱动的机器人构型设计与力学解析问题，为机器人技术取得源头创新提供理论和技术支撑。

本课题组通过攻克轮/足-腿混合式行走机器人的基础理论和关键技术瓶颈，研究在多种复杂场景下能够高效移动的机器人，实现机器人与广域地形环境的共融，以满足全域快速响应作战的需求。.项目围绕“环境驱动的机器人构型设计与力学解析”的基础科学问题，针对无法从根源上解释出什么样的环境需要什么样的构型、难以汇聚各类仿生原型的优点进行融合创新构型、机器人在陡峭地形/深度松软和泥泞地形下难以自主调整姿态和步态等科学难题，开展了4大项14个子项研究，主要包括：1）环境与动物结构/行为耦合的地面力学机理（包括地形支撑和牵引性建模、动物骨骼结构/触地机构与地面关系、动物行走规律和能量转换、动物结构/行为与地形耦合度评价准则等）；2）轮/足-腿混合式行走机器人构型设计（包括多自由度柔性脊柱式仿生躯干、支撑-缓冲-储能功能一体化仿生腿、滚-踏-抓-撑一体的多功能轮/蹄混合、轮/足-腿混合式机器人总体构型等）；3）轮/足-腿混合式行走步态与动态稳定、柔顺控制（环境模型驱动的姿态与步态控制、多接触点支撑的力分配、轮-腿协同和足-腿协同等）；4）轮/足-腿混合式行走机器人集成与测试评估（包括机器人数字化仿真、道路障碍模拟和高速动作捕捉、基于动物行走效能模型准则等）。.通过融合仿生结构设计与轮足混合控制策略，团队搭建了融合多源仿生结构与多领域设计理念的4套原理样机，突破了60度陡坡的稳定行为控制及平整地面轮滑运动。基于项目研究成果，共发表学术论文25篇，其中SCI论文6篇，EI论文19篇，申报发明专利27项。.项目通过机构和控制的迭代优化，完成了从形态仿生到结构仿生到功能仿生再到多源融合的方法，突破了轮/足-腿混合式行走稳定性和步态生成的难题，实现了陡峭地形（60°）足式攀爬和平地滚轮滑动的融合，研究成果分别在仿生牦牛、猎豹、警犬、山羊等机器人应用，通过了多轮次的城市和越野环境应用示范。