天津师范大学研究生，天津师范大学研究生院
引用论文
Zhuang, H., Wang, N., Gao, H. et al. Power Consumption Characteristics Research on Mobile System of Electrically Driven Large-Load-Ratio Six-Legged Robot. Chin. J. Mech. Eng. 36, 26 (2023). https://doi.org/10.1186/s10033-023-00848-y
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研究背景及目的
负重足式机器人对路面要求低，可利用孤立的地面支撑以非连续方式通过障碍，在轮式和履带式机器人通过效率低或难于通过的区域具有独特的优势。NASA-JPL的ATHLETE研制成功，拓宽了人类对于星球探测大负重比多足机器人的认知程度，同时在机器人研究领域也掀起了崎岖地形环境下具有大负重比能力的多足机器人研究热潮。以大负重比多足机器人作为移动承载平台，其不仅可以在地面环境下应用于地面探测、物资运输、灾难营救等活动，而且还可以在星球探测中承担移动基地建设、星壤铲挖、无人探测等任务。鉴于崎岖地形环境以及户外移动机器人能源供给等诸多方面因素的制约，具有工程应用能力与低能量耗散的大负重比多足机器人将具有更为广阔的应用空间。
虽然电驱动负重多足机器人在户外以及星球探测中有着广泛的使用领域，但是由于其结构的特殊性，使其能量的有效利用率不高，这也成为电驱动负重多足机器人走向实用化的重要阻碍。在户外环境且有限能源携带下，用较低的能量消耗实现正常的工作任务，这将是电驱动负重多足机器人研究的重要方向。美国、日本等发达国家，在电驱动负重多足机器人方面进行了大量研究，而我国在该方面的研究却处于相对滞后。
由于六足机器人容易实现静步态稳定行走，且具有较高的稳定性和承载能力，故此六足机器人吸引了众多研究学者的兴趣。鉴于此，本文拟以电驱动大负重比六足机器人为例，针对电驱动大负重比六足机器人功耗进行研究，降低机器人移动系统功耗以加速其走向广泛应用化，本文提出的机器人移动系统功耗特性理论可为大负重比多足机器人的低功耗研究提供技术参考，有利于推动我国机器人技术发展，提高我国星球探测能力。
图1 大负重比六足机器人单腿结构
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试验方法
由于建立的电驱动大负重比六足机器人移动系统功耗数学模型中含有过多的未知参量，增加了分析的难度，故此需要针对机器人移动系统功耗数学模型中的参量数目实施降参处理。鉴于三足步态是六足机器人的最快步态和常用步态，拟针对该步态的机器人移动系统功耗开展研究。通过电驱动大负重比六足机器人样机三足步态行走试验，获取机器人样机足端法向力数据，分析得出机器人移动系统功耗中可忽略各腿足端y向力，以实现机器人超静定问题的降维处理。为最大限度的发挥支撑相中各腿支撑性能，针对三足步态时足端法向力相等所需条件进行分析，获得支撑相中每条腿根关节转角范围，进而建立三足步态时机器人移动系统功耗简化模型。针对大负重比六足机器人稳定行走约束条件开展分析，获得机器人不等式约束条件和等式约束条件。利用Matlab软件进行机器人移动系统功耗数值解算，分析移动系统功耗随髋关节转角、膝关节转角、本体高度和跨距变化趋势，确定机器人移动系统低功耗时的关节转角域以及本体高度和跨距范围。开展电驱动大负重比六足机器人样机行走试验，获取机器人移动系统平均功率消耗数据，实施机器人移动系统功耗理论分析的可行性和正确性验证。
图2 大负重比六足机器人机构及俯视图
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结果
通过大负重比六足机器人样机在蚂蚁型和螃蟹型三足步态行走试验，各腿足端力y向力分量Fy(fk)均在零值线附近波动，则在机器人移动系统功率消耗计算中均可忽略该向力，实现机器人超静定问题的降维处理。当根关节初设角△θi为60º时，支撑相中各腿的足端最大法向力近似相等，表明机器人在该条件下可以运载相对较重的物资。为最大限度发挥支撑相中各腿支撑性能，针对三足步态时足端法向力相等所需条件进行分析，获得支撑相中腿2、4和6的根关节转角范围：–8.7º≤θ2≤8.7º、–3.8º≤θ4≤5º和–5º≤θ6≤3.8º。基于机器人尺寸与质量参数、约束条件和部分变量值，利用Matlab软件分别针对大负重比六足机器人在三足步态各变量工况时的移动系统功率消耗进行解算，获得机器人移动系统功耗随髋关节转角、膝关节转角、本体高度和跨距变化时的趋势；确定低功耗时跟关节、髋关节和膝关节转角域，以及本体高度应避开0.58 m和跨距取值区间为0.18 m至0.55 m。开展样机步态行走试验，获得机器人移动系统平均功耗随本体高度和步距的变化趋势，以及相应最小移动系统平均功耗时的本体高度和步距。对比试验时机器人移动系统平均功耗曲线与理论分析时机器人移动系统功耗曲线，得出两者保持一致，验证所提出的机器人移动系统功耗特性理论的可行性和正确性。
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结论
（1）为使电驱动大负重比六足机器人具有万向行进特性，机器人本体采用正多边形且六条腿均布四周的构型。基于机器人构型特点，设计六足机器人四种典型行进方式：螃蟹型、蚂蚁型、混合I型和混合II型。
（2）进行大负重比六足机器人动力学分析，根据关节处伺服电动机的最终输出转矩取决于机器人关节外负载转矩，分别推导支撑相与摆动相关节负载数学表达式，并建立电驱动六足机器人单腿功耗和移动系统功耗数学模型。
（3）三足步态是六足机器人的最快步态和常用步态，针对该步态的机器人移动系统功率消耗开展研究。通过蚂蚁型和螃蟹型三足步态行走试验时机器人样机足端法向力数据，得出求解机器人移动系统功耗时忽略各腿足端y向力的结论，实现机器人超静定问题的降维处理。为最大限度的发挥支撑相中各腿支撑性能，针对三足步态时足端法向力相等所需条件进行分析，获得支撑相中每条腿根关节转角范围，最后建立三足步态时大负重比六足机器人移动系统功耗简化模型。
（4）为给予机器人移动系统功耗的数值求解提供必要的变量约束，针对大负重比六足机器人稳定行走约束条件开展分析，分别获得机器人不等式约束条件（包含足端法向力、足端与地面摩擦、关节驱动约束）和等式约束条件（包括本体高度、足端力平衡约束）。
（5）基于机器人尺寸与质量参数、约束条件和部分变量值，利用Matlab软件分别针对大负重比六足机器人在三足步态各变量工况时的移动系统功率消耗进行解算，分别获得机器人移动系统功耗随髋关节转角、膝关节转角、本体高度和跨距变化时的趋势；确定机器人移动系统低功耗时的跟关节、髋关节和膝关节转角域，以及本体高度应避开0.58 m和跨距取值区间为0.18 m至0.55 m。
（6）基于研制的电驱动大负重比六足机器人样机，开展样机的混合II型行走试验，分别获得机器人移动系统平均功耗随占空比、本体高度和步距的变化趋势，以及相应最小移动系统平均功耗时的本体高度和步距。根据试验时机器人移动系统平均功耗曲线与理论分析时机器人移动系统功耗曲线保持一致，进而验证本文所提出的机器人移动系统功耗特性理论的可行性和正确性。
鉴于大负重比六足机器人最大步行速度不高，且行进中移动速度通常小于最大步行速度，故此本文建立了低步行速度时的大负重比六足机器人移动系统功耗数学模型。由于机器人移动系统功耗数学模型中含有过多变量，直接进行解算难度较大，进而需要针对数学模型进行简化以方便开展机器人移动系统功耗特性分析。本文理论分析了硬质平坦地面三足步态时的机器人移动系统功耗特性，并通过大负重比机器人样机试验验证了该理论分析方法的合理性和准确性。接下来，我们将针对崎岖地形时的大负重比六足机器人移动系统功耗特性开展理论和试验研究，并与硬质平坦地面的功耗特性进行对比分析。
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前景与应用
本项目所取得的创新性研究成果具有较高的应用科学价值，可使足式移动机器人在户外环境且有限能源携带下，用较低的能量消耗便可以实现正常的工作任务，进而有效节约机器人能源消耗，延长机器人生命周期。该研究成果还可以推广适用于关节式工业机器人，减小关节式工业机器人在智能制造生产中的能源消耗，降低公司和企业生产中的能源支出成本，提高产品市场竞争力，同时有利于实现节能减排，构建低碳美好生活环境，呈现出较好的经济效益和社会效益。
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团队带头人介绍
庄红超，男，1982年1月生，哈尔滨工业大学航空宇航制造工程学科工学博士，副教授，中国机械工程学会高级会员，中国自动化学会普通会员，天津市机器人学会高级会员，“教育部学位中心”研究生学位论文评审专家，天津市“131”创新型人才培养工程人选，《Lifelong Education》期刊副主编，国际知名SCI检索学术期刊《Sensors》、《Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering》、《Applied Sciences-Basel》、《Symmetry》、《Mathematical Problems in Engineering》、《Frontiers in Robotics and AI》等审稿人。
庄红超同志在哈尔滨工业大学攻读博士学位期间，师从高海波教授，在邓宗全院士课题组从事重载足式机器人移动技术等的相关研究工作，自2015年1月获得工学博士学位后，便任职于天津职业技术师范大学机械工程学院。截止目前，该同志在2018-2022年5次被评为天津职业技术师范大学“校级优秀”；2021年指导硕士研究生获得2项“2021年天津市研究生科研创新项目”、评为“校级优秀共产党员”、指导21届本科生荣获“第十二届天津市级本科生优秀毕业设计”；2017年荣获天职师大机械工程学院“学科建设突出贡献奖”、推荐申报“天津市青年科技优秀人才”；2016年入选“天津市级教学团队”；2015年入选“天津市‘131’创新型人才培养工程”、获天职师大机械工程学院“青年科研特别奖”。
庄红超同志一直致力于深空探测机器人方面的研究工作，在从事负重足式机器人、月球车、智能人机交互、智能控制等研究中，积累了丰富的理论基础与工程经验。2015年入职后便申请获批国家自然科学基金青年科学基金项目——“崎岖地形电驱动大负重比六足机器人移动系统能耗特性研究”（项目编号：51505335）。近年来，庄红超同志已在机器人技术领域取得了一系列的创新性研究成果，在《Science China-Technological Sciences》、《Chinese Journal of Mechanical Engineering》、《IEEE Access》、《Applied Sciences-Basel》、《机械工程学报》等国内外知名学术期刊，作为第一作者和通讯作者共发表SCI检索论文10篇、EI检索论文8篇，出版学术专著和教材3部，授权和申请国家专利9项，其中国家发明专利8项，授权软件著作权5项。在横纵向项目方面，庄红超同志主持国家自然科学基金、教育部高等教育司产学合作协同育人项目、重大横向科研项目等共计6项，参与国家自然科学基金、科技部国际合作项目—对俄、探月工程二期项目、天津市教委科研计划、重大横向科研项目、天津市科技计划项目等项目共计10余项。
团队研究方向
（1）重载足式机器人移动技术 Mobile Technology of Heavy-Duty Multi-Legged Robot
（2）宇航空间机构及控制 Aerospace Mechanism and Control
（3）特种机器人技术及应用 Special Robot Technology and Application
（4）星球探测移动机器人技术 Mobile Robot Technology for Planet Exploration
近年课题组发表文章
[1] Hongchao Zhuang, Kailun Dong, Ning Wang, Lei Dong. Multi-robot leader grouping consistent formation control method research with low convergence time based on non-holonomic constraints. Applied Sciences-Basel, 2022, 12(5), 2300: 1-19. (SCI, JCR Q2, IDS: ZW4DW, 2020 IF: 2.679)
[2] Hongchao Zhuang, Yilu Xia, Ning Wang, Lei Dong. High inclusiveness and accuracy motion blur real-time gesture recognition based on YOLOv4 model combined attention mechanism and DeblurGanv2. Applied Sciences-Basel, 2021, 11(21), 9982: 1-19 (SCI, JCR Q2, IDS: WZ6PO, 2020 IF: 2.679)
[3] Lei Dong, Jianfei Wang, Minglang Tseng, Zhiyong Yang, Benfu Ma. Gyro motor state evaluation and prediction using the extended hidden markov models, symmetry, 2020, 12(11): 1-21 (SCI, JCR Q2, IDS: OY5RT, 2020 IF: 2.713)
[4] Lei Dong, Weimin Li, Chinghsin Wang, Kuoping Lin. Gyro motor fault classification model based on a coupled hidden Markov model with a minimum intra-class distance algorithm. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering. 2020, 234(5): 646-661 (SCI, JCR Q3, IDS: LE3RY, 2020 IF: 1.714)
[5] Shihai Zhang, Yecheng Zhu, Zimiao Zhang. Research on the weight removing model and control method for the unbalance vector of thin disc workpiece. Shock and Vibration, 2022(2022): 1-11 (SCI, JCR Q3, IDS: ZY3KM, 2020 IF: 1.543)
[6] Shihai Zhang, Zimiao Zhang. Online measuring and estimating methods for the unbalancing vector of thin-disc workpiece based on the adaptive influence coefficient. Journal of Vibration and Control, 2021, 27(15-16): 1753-1764 (SCI, JCR Q2, IDS: SY4JA, 2020 IF: 3.095)
作 者：庄红超
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