浙大機器人BICS

　　概述
　　用戶介紹
　　浙江大學（Zhejiang University）是中國人自己最早創辦的新式高等學校之一1928 年更名為國立浙江大學。中華民國
　　時期，浙江大學在竺可楨老校長的帶領下，崛起為民國最高學府之一，被英國科學史家李約瑟譽為“東方劍橋”，浙江大學直屬于中華人民共和國教育部，是中國著名頂級學府之一，是中國“學科最齊全”、“學生創業率最高”的大學，是首批 7 所“211 工程”、首批 9所“985 工程”重點建設的全國重點大學之一，是九校聯盟、世界大學聯盟、環太平洋大學聯盟的成員，入選“珠峰計劃”、“2011 計劃”、“111 計劃”重點高校。
　　挑戰
　　四足機器人的環境適應性強，可以靈活應對各種輪式機器人無法適應的復雜路面環境，對于復雜地形環境中的各類作業任務有著廣闊的應用前景。而快速靈活的機器人運動控制可以進一步增強四足機器人作業能力。因此，衡量一臺優秀的四足機器人，最為突出的兩個要素是：基于未知復雜路面的通過能力和快速跑跳能力。為實現這兩個能力，控制系統和上位機首先要解決以下主要技術難題：1，多關節高速實時運動控制技術。2，面向多種工業傳感器的通信接口。3，對于復雜信息的強大數據處 理能力和精確定時技術。4，對于上位機數據的圖形化顯示界面。
　　解決思路
　　面對復雜的系統的具體需求，項目最后基于 NI 快速開發原型平臺 CompactRIO下設計了一套集調試、監控、采集、計算、控制、通訊的機器人運動系統。機器人的工控機采用 CompactRIO-9033，其有豐富的 I/O 和通訊接口資源，基于實時高效的系統架構和操作系統，團隊能夠快速開發出高性能的、穩定的、界面友好的四足機器人控制系統。同時得益于 NI 強大的技術支持和專家知識庫，以及 CompactRIO 靈活的模塊化配置方式，讓我們團隊能在不同的設計方案中實踐改良，最終 6 個月完成一期項目。
　　實現
　　基于四個方向的挑戰，團隊經過 6 個月的研究與設計，系統性的提出了整體解決方案，赤兔機器人共有 12 個關節，控制系統需要實時接收 12 個關節驅動器反饋上來的角度、角速度和電流等數據，項目組建立了基于EtherCat 通訊協議的多驅動器實時通訊系統，為了更好的捕獲未知路面的信息，機器人通過 IMU 獲得身體的姿態和運動信息、通過壓力傳感器將足部與地面的接觸狀態，和通過 GPS 獲得的外場信息上傳，cRIO9033 作為主控單元，基于EtherCAT，RS485，RS232，USB，網口等多協議協同配合，完成了機器人系統的搭建，在一套控制平臺當中完成了復雜系統的整合。同時面向強大的數據處理需求，cRIO 實時層完成運動控制需求，基于 FPGA硬件處理路徑規劃，在界面處理當中使用豐富的圖形化編程語言完成上位機的軟件。
　　結果
　　基于 NI 快速原型驗證平臺 cRIO 與LabVIEW，團隊以與六個月完成一期項目，同時獲得 student design 全球大。
　　國內首款電機四足機器人案例分享
　　用戶介紹
　　浙江大學控制科學與工程學院始于 1956 年，現有工業控制研究所、自動化儀表研究所、智能系統與控制研究所，工業控制技術國家重點實驗室，工業自動化國家工程研究中心，自動化實驗教學中心和分析儀器研究中心。教師中有中國工程院院士 1 人，長江特聘教授 2 人，求是特聘教授 2 人，國家“千人計劃”3 人，國家“青年千人計劃”入選者 1 人，教師中教授 29 人，副教授 30 人，具有博士學位的教師比例為 79.26%。主要研究項目包括復雜工程系統建模、控制與優化，過程系統工程，計算智能與智能決策，企業綜合自動化系統，機器人導航與控制等機器人學科，在復雜工業過程與全新一代嵌入式主控系統設計?？刂茖W院的科研文化根基穏固，以應用為本，積極支持教學人員進行具影響力、富實用價值的研究，多年來堅持以國家重大需求為出發點，始終堅持基礎理論與應用研究結合，近年來承擔了眾多國家級科研項目，科技成果為國內領先，部分達到國際先進水平。

　　朱秋國老師團隊從 2008 年開始，重點關注仿人機器人感知控制高性能單元與系統國家 863 重點課題攻關，以項目負責人的身份參與了平面單腿機器人平衡跳躍研究，腿式機器人動態平衡跳躍機理研究，多自由度仿人臂機器人系統開發，基于變剛度關節的仿生單腿機器人動態平衡控制與優化等相關項目，在國內足式機器人研究領域具有深厚的積累。
　　去往前人未至之境 – “赤兔”
　　浙江大學研制的“赤兔”四足機器人致力于打造四足機器人科研和教學的通用化平臺，為廣大機器人學者和愛好者提供高性價比的機器人開發平臺。該平臺具備了基本的運動功能，通過為開發者提供二次開發接口，開發者只需自己編寫程序即可體驗運動控制所帶來的獨特魅力。這種方式極大地減輕了研究者在工程量上的時間投入，使得大家可以集中精力研究機器人的運動控制、以及智能感知與控制等算法上，更快地推動和促進機器人技術的快速發展。

　　四足機器人作為腿足機器人的主要形式之一，其依靠腿足運動能夠應對非結構化環境，在復雜地形適應性上具有顯著的優勢。赤兔是面向復雜路面環境下作業的電機驅動四足機器人，可以完成行走、對角小跑和奔跑 3 種步態，并可以通過臺階、斜坡和磚石等各種未知復雜路面?；?Compact RIO 強大的數據運算能力，“赤兔”具備了適應復雜環境的高度適應能力，下表是四足機器人的基本性能參數。

　　項目提出了一種面向未知復雜地形的四足機器人運動規劃方法。該方法基于零力矩點（Zero Moment Point, ZMP）穩定性判據進行實時軌跡規劃，通過擺動腿的落地規劃和策略感知未知地形的信息，實時調整各支撐腿長度以控制機器人軀體位姿與地形參數相匹配，實現機器人對未知地形高度與坡度的自適應。通過一種豎直虛擬彈簧的控制方法，基于設計機器人對地面的作用力輪廓，實現了機器人的的跳躍運動。同時，引入了相位計算與相位反饋，用于修正機器人運動過程中的節律偏移。

　　快速原型化系統控制平臺 Compact RIO基于 CompactRIO-9033 主控制器，項目搭建了四足機器人系統。CompactRIO-9033 主控制器通過EtherCAT 接口與 12 個關節驅動器進行通訊，獲得各關節的運動信息，并發送指令控制每個關節的運動；通過RS485 接口獲得 IMU 測得的機器人姿態和運動信息；通過 NI 9201 數據采集卡獲得足底的壓力信息；通過無線網卡建立與上位機的數據流通訊，便于對部分關鍵數據的記錄和實時觀測；通過CompactRIO-9033 的 RTOS 對控制系統進行精確定時。在 2017 年全球工程設計大賽中，浙江大學朱秋國老師和熊蓉教授率領他們的團隊拿下這座在全球學生設計評選中最具含金量的桂冠，2017 Student Design Competition全球冠軍。