Student Projects
Contact Information
University: Zhejiang University
Team Members (with year of graduation): Wu Weinan, Mao Yichao, Zhao Yidong, Li Yang, Liu Yun, Zhou Kun, Li Yida
Faculty Advisers: Zhu Qiuguo
Email Address: qgzhu@iipc.zju.edu.cn
Submission Language: Chinese
Project Information
Title: Bionic Hopping One Legged-Robot
Description: In order to understand the movement mechanism and characteristic of human running and jumping, we developed a bionic hopping legged robot by learning the leg structure of human. The main research contents two aspects: First is the bionic mechanical design. Second is the multi-joint coordinated motion planning and control. Using the hopping control, it can take different height hopping and the highest can reach 30cm. The energy efficiency is improved over 20% with the passive ankle. This technology can be applied to biped or multi-leg robots, also can be used in exoskeletons or artificial limbs.
Products:
Hardware:
NI CRIO 9033
NI 9401
NI 9861
NI 9201
NI 9924
Software：
NI LabVIEW 2014
LabVIEW Real-Time Module 2014
NI RIO 2014
Other Hardware and software：
Legged-robot prototype
Maxon motors
ELMO driver
Harmonic driver gear
Xsens MTi-100 IMU
VLP-60 absolute angle sensor
Laser Daumer OADM2016
Switch sensor
ARM M2478
External Power
Software:
Windows
The Challenge:
跑步对人类进化的具有非常深远的意义，而单腿跳跃是双足跑步运动的简易形态，可以被视为跑步动作的特例。单腿机器人通过借鉴人体下肢生理结构进行仿生和再造，对分析和认识人体腿部的运动机理具有重要作用，因为一直也是机器人领域研究的热点。但目前国内外的跑跳运动研究 只针对某种特定的环境，在运动多样性和灵活性等方面表现不足，并且大部分研究仍然采用位置控制模式，对运动的精确性要求高，仍然无法解决适应能力差和能量效率低等问题。
本项目将重点围绕仿生机构设计与高能效协调运动两方面开展研究。前者通过仿生思想开展腿部结构设计，确认机器人本体具备仿生的柔顺性；后者通过构建动力学模型和系统辨识等 方法，解决多关节间协调最优能效控制问题。
本项目研究可以让我们更好地了解和认识人类跑跳运动的机理和特性，以及人类跑跳运动与腿部结构和能量效率之间关系，有助于进一步促进腿式机器人相关技术的发展和应用。
The Solution:
I. Control System
为了让机器人在运动过程中能够像人体的肌肉一样具有柔顺特性，机器人的髋关节与膝关节均通过柔性关节SEA对于关节的运动进行控制。为充分运用机器人SEA的柔顺特性，对于机器人的运动进行控制，机器人的整体控制框图如图1所示：
图1. 控制系统架构图
整个控制器的系统架构分为三层，分别为电机伺服控制器，底层关节控制，上层动作控制器/状态管理器。电机伺服控制器对于SEA关节的电机端的速度进行伺服控制。底层控制器通过力矩控制器、速度控制器、位置控制器使SEA关节能够根据任务需求输出力矩、速度或者位置。上层控制器通过对于机器人的建模，信息的反馈对于机器人的状态进行切换，根据不同的状态对于机器人的运动进行规划和控制。
底层力矩控制器
SEA关节的模型如下图所示：
图2. 柔性关节SEA的基本控制
摆腿位置控制
在跳跃中除了通过对于机器人的关节力矩进行控制，在空中需要对于机器人的关节运动位置进行控制。对于一个具有两个主动关节的腿式机器人，模型如下图所示：
图3. 单腿机器人动力学模型
跳跃高度控制
机器人的跳跃高度通过控制机器人膝盖关节电机端的运动距离来表征系统能量注入的大小。
II. Hardware and Software
仿生单腿跳跃机器人的硬件组成如下图4所示，主要分为三个部分，分别是躯干、髋膝踝关节、以及大小腿。其中，CRIO控制单元安装在躯干内，髋和膝关节通过主动控制实现运动，而踝关节则是被动运动，通过安装在前后两边的弹簧实现自由振荡，并进行能量存储。
图4. 单腿跳跃机器人的结构图
NI CRIO-9033与配套的NI模块作为机器人系统的核心控制器和数据采集处理中心，可通过EtherCAT或CAN总线与上位机进行实时通信。针对关节的SEA驱动单元，绝对式磁电编码器Netzer-DS58用来检测电机端和负载端的绝对角度，用来计算弹簧的压缩量和关节角度，以此作为关节输出力矩的检测量进行反馈控制。Maxon的EC40电机和Elmo的G-SOLGUTIG驱动器用来控制驱动单元中的弹簧压缩量输出设定力矩。Baumer的激光距离传感器OADM20I6用来检测机器人身体质心距离地面的垂直距离，作为机器人跳跃高度控制的反馈量。陀螺仪MTi 100-series用来检测机器人身体的姿态角。装在足底的微动开关用来检测机器人的触地信号，为了实现着地检测的稳定性，通过增加冗余的开关有效地提供了系统的可靠性。
硬件系统的结构如图5所示。编码器的数据通过SSI协议采集，距离传感器的数据通过模拟信号直接采集，陀螺仪数据通过RS232协议采集。CRIO-9033根据采集的数据，向驱动器下发速度指令来控制每个关节的位置环和力矩环。
图5. 硬件连接示意图
上位机的操作台界面采用Labview进行设计，实现了启动、停止、模式切换、数据采集与显示、以及状态显示等功能。编写的交互界面前面板如图6所示。
实验结果验证了单腿机器人连续且不同高度可控的跳跃功能，图7展示了单次跳跃的过程。实验同样验证了控制系统满足了机器人的实时通讯和控制要求，图形化编程和功能模块化对提高项目的开发进度起到了重要作用。
图6. 人机交互界面
图7. 机器人单次跳跃过程
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