光明网:广东工业大学专家实现双足机器人大跨步时的姿态平衡

光明网广州3月22日电（记者雷爱侠）机器人和人类的步态都受限于其在不倾倒的前提下所能跨出的步距。人类通过动态行走在一定程度上减少了这种限制，但同样也会一直往前倾。而对于需要执行准静态动作的机器人来说，可跨越步长极大的限制了它们所能跨越的障碍物。

在广东工业大学自动化学院的一个实验室，实验人员用固定在双足机器人脚掌的小型涵道风机来进行实验。这个方案成功使得双足机器人能够调整自身重心维持平衡，跨越过一条正常情况下无法跨越的宽沟时。相关论文发表在2017仿人机器人国际学术会议上，论文标题为“Jet-HR1: Two-dimensional Bipedal Robot Step Over Large Obstacle Based on a Ducted-fan Propulsion System,”作者是来自广东工业大学的黄之峰，刘彪，魏嘉鹏，林清生，章云以及太田顺（东京大学）。

这个机器人叫Jet-HR1(Jet Humanoid version1 喷射仿人机器人1 号)，重6.5kg，高650mm, 在每只脚脚掌前端装有涵道风机引擎，涵道风机重量232g,但是输出的推力可达2kg, 将近机器人总重量的三分之一。在一实验中，Jet-HR1 执行跨越370mm 宽沟渠的任务，这到达了其腿长的80%。为了完成这个任务，机器人伸出腿的同时开启涵道风机，不可或缺的向上托着跨越的腿以防止机器人向前倾倒。一旦装有涵道风机的跨越腿到达了沟渠的另一侧。机器人的后腿也重复这一过程，完成跨越。整个跨越过程可以顺畅地在一分钟内完成，这速度十分迅速。

研究者建议说这种一般性的技术能适用于其他许多具有挑战性的情况，当机器人遇到它需要跨越的大尺度障碍物时，能够帮助其实现平衡控制，或者在一般不平整地面保持平衡不摔倒。因为涵道引擎能够保证在与地面不发生接触的情况下动态调整机器人的质心，你可以设想各种脑洞大开的事，例如机器人在复杂环境中侧向倾斜行走。

黄之峰副教授称，“我们或多或少的受到科幻小说的启发。但实际上，我们两年前就开始考虑这个方案了，那时，我们注意到地震废墟中的糟糕地形，给仿人机器人的移动带来很大限制。双足机器人跨越大尺度障碍物是困难的，因为跨得太远会打破静态平衡条件，这个条件需要机器人质心在地面的投影位于其脚底的支撑多边形之内。而另一些动态动作，例如跳跃，也可以考虑为一种解决方案，但是其着地的冲击会可能会造成本来就不坚固的地面发生二次坍塌。这就是我们需要一种新的方法来保持机器人的准静态平衡的原因。利用涵道风机构成的推进系统不仅可以保持机器人的平衡，还能够有效降低机器人落脚时产生的冲击。”

据介绍，在准静态条件下，涵道风机主要是改善机器人在不同姿势下保持平衡的能力。利用涵道风机的推力，机器人的可跨越距离可以得到有效提高。即使没有上半身对重心进行调整，双足机器人也能够完全跨过450mm 宽的沟，这个宽度达到了其腿长的97%。在先前的其他仿人机器人研究中，这个数据一般只有20%。

黄之峰介绍说，涵道助推辅助不仅有利于2D 步态，同样也有利于3D 步态和动态动作，如跳跃。此外，涵道推进系统用使得一些特殊的3D 步态成为可能。例如，机器人可以借助涵道风机的推力实现在单脚支撑的情况下原地甩动另一条腿（以获得旋转力矩）。此外，涵道风机也有助于减小动态动作的冲击。

从目前的结果看，该系统对仿人机器人越障来说是一个实际可行的方案。对于质量小于15kg 的机器人，助推系统可以由电动涵道风机组成，而对于对于质量大于15kg 的仿人机器人，可以考虑涡喷引擎。这两种推进器都是成熟的技术，尤其是电动涵道风机。

黄之峰说，当前，实验室的一个小组正在解决电源问题（例如高能量密度电池）和推力精确反馈馈控制。另一个小组则主要负责机器人运动规划和控制器。未来的研究重点将放在动态跨越和软着陆技术。这将使机器人以更快更少冲击的跨越障碍物。此外，在涵道推进系统辅助下的一些全新的3D 步态也在不断地进行尝试。返回光明网首页

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