​哈工大的这款轮腿机器人出3.0版本了！揭秘其设计、控制和性能测试

DARPA（美国国防高新科技计划署）机器人挑战赛（DRC）每两年举办一次，由美国国防部赞助，比赛希望能甄选出可在福岛核电站这种人类无法接近的危害发生地担负现场急救任务的机器人。

在2015年的DRC DARPA机器人挑战赛上，来自韩国的机器人DRC-HUBO靠着一身「绝活」击败了其他来自5个国家的22台顶尖机器人获得总冠军，其中不乏当时波士顿动力研发的 Atlas、日本HRP 这些明星机器人。

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能站也能跪的DRC-HUBO

在机器人技术领域，行走的平衡性一直是难以逾越的鸿沟。这也是最终HUBO获胜的关键——其膝盖和脚踝处装置的轮子可以允许机器人由行走模式切换到轮式移动。研发它的“KAIST”团队当时还赢得了200万美元的大奖。

危险环境中的探索和救援是机器人腿式运动的重要应用，用于灾害救援或野外探险的机器人往往被要求具有平坦道路上的快速移动能力和复杂地形的适应能力。基于此项难题，来自哈尔滨工业大学机电工程学院机器人与系统国家重点实验室的团队研发了一种高机动性、高适应性的液压动力自主轮腿机器人系统——WLR-3P机器人，这款机器人可以在平坦路面快速高效移动，在崎岖的地形环境中适应性也是杠杠的。

该项研究以论文（Design and Control for WLR-3P: A Hydraulic Wheel-Legged Robot）为题发表于中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems中。

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论文地址戳→https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0025

▍揭开WLR-3P机器人的神秘面纱

先来看看WLR-3P长什么样子

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作为一种新型无软管液压轮腿机器人，WLR-3P能够通过自主动力进行跳跃和快速移动。

那么研究人员们是如何提高机器人的机动性和环境适应性呢？主要靠这三点：（a）高功率密度和快速响应驱动，（b）重量轻、惯性大、强度高，（c）可靠的液压系统。

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WLR-3P的机械设计方法

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WLR-3P 的组件组成和尺寸

如上图所示，WLR-3P 有 7 个自由度 (DOF)：每条腿 3 个自由度，腰部 1 个自由度。腿部的3个自由度分别在髋关节、膝关节和驱动轮上，其中髋关节和膝关节由HDU驱动，驱动轮由直流电机驱动。

HDU包括定制的高频响应（20Hz）伺服缸、高性能伺服阀、位移传感器和力传感器。配备机载 HPU 和电池的 WLR-3P 重 80 公斤。其最大高度为1.55 m，2个轮子之间的距离约为0.54 m。此外，为了安全起见，机器人还“背负”着1.8公斤碳纤维混合铝合金框架。

至于为什么选择液压？简单粗暴地来说，采用集成液压驱动装置的机器人，功率密度高，驱动响应快。

▍WLR-3P的先进设计和控制策略

研究人员考虑到以下因素：（a）高功率重量比，（b）出色的抗冲击性，（c）力/位置控制的高频响应，以及（d) 与人类可比的生物学特性。

最终WLR-3P中膝关节液压驱动单元（HDU）的最大功率密度可达7kW/kg左右，远高于传统电机。

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液压动力单元（HPU）的小型化和集成化是液压机器人研究领域的主要难点，主要是由于泵和发动机以及系统加热的小型化。由于WLR-3P没有很大的HPU安装空间。研发人员们提出了一种创新的设计思路来实现HPU的小型化和集成化。

首先，齿轮泵由定制的外转子电机通过微联轴器驱动。来自泵的高压油经过微型蓄能器和过滤器，提供系统所需的液压动力。其次，针对系统的发热问题，设计了集散热、过滤、稳压于一体的多功能油箱。最终HPU可输出最大压力为21 MPa、流量为20 l/min的液压动力。

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完整液压系统的液压原理图

下图展示了HPU的结构和组成。HPU的小型化、集成化使机器人摆脱了橡胶软管的限制，使机器人的运动更加“丝滑”。

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HPU的结构和组成，也是WLR-3P的骨盆

此外，研发团队还提出了包括分层分布式电气系统和控制策略的控制系统：

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WLR-3P 的电子系统

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WLR-3P 的控制框架

▍WLR-3P的平衡和爆发力测试

研究人员们围绕平衡性能和爆发力两方面展开了测试。快速移动和下蹲是验证轮腿机器人平衡性能的最基本动作。当快速移动时，机器人的质心（COM）在水平方向上快速变化，而蹲下时COM在垂直方向上快速变化。

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快速移动测试

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COM在0.35和0.65 m高度范围内的深蹲快照

测试显示，WLR-3P水平和垂直平衡能力OK，也验证了该机器人硬件系统的可靠性。

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WLR-3P在0.5秒内完成起飞、飞行和着陆过程

实验结果显示，机器人WLR-3P可以达到13.6 km/h的速度和0.2 m的跳跃高度。液压驱动和机器人的结构设定得到了充分的认证。

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研究人员们总结实验经验发现，机器人重量越轻、驱动系统爆发能力越强，机器人能跳得越高。特别是腿部重量占全身重量的比例越小，膝关节的瞬时输出力和速度就越高，这对机器人的跳跃性能会有更显着的影响。

▍WLR-3P的两位“哥哥”

团队表示，虽然实际性能与理论设计性能仍存在一定差距，但这也为今后的工作指明了方向。

其实早在2017年，团队就开发了第一台液压轮腿机器人WLR-I并成功验证了它的集成设计和复合运动能力。然后在2018年，第二代轮腿机器人WLR-II亮相，它首次实现了无软管设计，并表现出了意想不到的地形适应性。

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正在进行关节运动和雪地移动测试的两代哥哥们

如上图所示，前两代机器人其实已经验证了对复杂地形的适应性和平地上的机动性，但均由外部泵站提供动力。此次WLR-3P在前两代轮腿机器人的设计基础上进行了实质性改进。不仅提高了运动能力，还实现了动力自主。

接下来，团队还要考虑如何匹配HPU的输出功率和HDU所需的功率。对于驱动功率和机器人运动的需求，需要考虑散热、噪声等工程问题。更重要的是，液压元件的小型化和定制化也是未来的研究方向之一。

不得不说，效率太高。那就废话不多说，蹲一个，等WLR四弟吧。