基于T型髋部的双足机器人高效动态步行理论研究

Energy efficiency is a key problem for biped walking robots, and greatly limits the performance on longevity, operation, etc. In the pre-research, the project team has proposed a new fundamental walking model called T-shaped hip joint model, set a new world record on energy efficiency and walking distance based on passive walking and active control, and successfully applied in walking aid and rehabilitation. However, the theory is still absent for this breakthrough due to the research challenge on complex dynamics in hybrid Hamiltonian systems as well as complex environment. In order to improve the efficiency and agility, this project will modify the walking model, and systematically study how to analyze and control the complicated walking gaits by combining topological bifurcation, numerical computation, etc. 1) Solve the key scientific problems on gait search, parameter optimization, stability of controlled system, establish a new theoretical and numerical methodology, and implement it with a software package. 2) Add an upper body, improve structure of legs and feet, obtain new mechanism and control algorithms on walking or running for larger slope, higher speed and more disturbance, and explore a new approach to develop more efficient simple biped robots. 3) For applications in smart walking aids, guiding robots and inspection robots, develop reliable and low-cost 2D / 3D prototypes such that some key indicators, such as efficiency, speed and adaptability, reaches a world advanced level.

行走能耗大是困扰仿人机器人的难题，极大地限制了机器人的续航、作业能力。项目组利用被动行走+主动控制的新途径，通过前期预研，提出一种基于T型髋部的行走新模型，研制样机，创造了行走效率和续航距离的世界纪录，并在助行康复上得到产业应用。由于面对混杂哈密顿系统行为复杂性、环境地形复杂性等重要挑战，为充分挖掘其能效性、提升机敏性，本项目将融合拓扑分岔、数值计算等方法，改进模型，系统深入地开展复杂步态的分析与控制研究：1）解决步态搜索、参数优化、控制稳定性等关键科学问题，建立一套理论与数值结合的方法体系，并实现为软件包；2）增加被动上体、改进腿部和足部结构，得出适应更大坡度、速度、扰动的被动+主动的行走/奔跑机理与控制算法，为研制更加机敏、高效的双足机器人探索新思路；3）面向智能助行、迎宾、巡检等产业需求，研制出稳定可靠、低成本的2D/3D原理样机，并在效率、速度、适应能力等关键指标达到世界先进水平。

仿人机器人因为具有适应人类环境的天然优势，在代人工作、军事装备等方面有着巨大的应用。如何做到高效动态行走是长期困扰这项研究的基础难题。本项目为充分挖掘双足行走的能效性和机敏性，采用被动行走+主动控制的新途径，提出了一种全新的T型髋部模型，依次从模型研究、步态分析、驱动控制和样机研制四个层面，系统深入地开展了双足行走机器人的理论、算法和实验研究。主要成果包括：1）改进了行走机器人模型，优化了髋关节和腿部结构，使用较简单的数学模型来逼近真实物理模型，为进一步研究更加简单、高效、机敏的双足机器人提出一种新思路；2）针对双足动态步行的步态搜索、参数优化、控制稳定性等关键难题，提出了基于延拓与分岔的步态研究方式，打破了传统步态搜索的盲目性，进而建立一套数值和理论相结合的方法体系和数值工具；3）面向智能助行、巡检作业等应用需求，研制稳定可靠的2D/3D样机，运输效率、续航能力、速度、环境适应性等关键指标达到世界先进水平。项目发表论文19篇，其中SCI源刊13篇，申请专利15项。在上述成果应用上，项目组研制了双足机器人“小贝”。它不仅电机少（最少仅5电机）、重量轻（含电池不到25kg），降低了硬件复杂度，而且能够充分利用身体惯性（自然步态），能效大幅提高。因为无需国外卡脖子的传感器和核心零部件，造价不到国外同类型机器人的1/10。因此，“小贝”有望被打造成一个通用双足机器人开发平台，推动我国双足机器人的教育科研和落地应用。相关成果得到国务院总理李克强的实地考察和高度肯定，并5次被CCTV报道，其中2次亮相新闻联播。