敏捷得像猫，被抛出后能平稳着地，有意思的美国西点军校机器人！
导读
美国著名西点军校的研究人员介绍了一种名为敏捷地面机器人（Agile Ground Robot, AGRO）的四轮独立驱动和转向机器人，以及一种通过车轮反作用扭矩在空中进行姿态调整控制的方法。这是有记载的首次使用独立转向轮在地面上行驶并在投掷时实现空中姿态控制。受猫的自动扶正反射启发，这项功能的开发是为了使应急人员能够通过将AGRO抛在墙壁和围栏上或通过窗户而迅速部署AGRO，而不会使其产生倒挂的风险。AGRO已经成功部署，实验表明，AGRO可以利用车轮的反作用扭矩在402毫秒内稳定其方向。西点军校的研究人员在2020年国际机器人会议IROS（International Conference on IntelligentRobots and Systems）上对研究成果进行了汇报展示。
敏捷地面机器人（AGRO）
投掷AGRO的复合视频静止图像
AGRO的设计是出于对敏捷、易于使用、可靠且相对便宜的地面机器人平台的需求，该平台可以在室内以及室外的城市和越野环境中进行机动，同时执行远程操作或自主检查和响应任务。例如，这样的机器人可以配备有地图和辐射检测传感器，并被遥控到受污染的建筑物附近，以生成具有已确定的辐射热点的地图。然后，该地图可以为应急人员提供他们计划安全行动并减少受伤风险所需的信息。可以使用类似的系统来应对化学泄漏或火灾。如果到灾难地点的入口上锁、被杂物阻塞或因为其他原因导致机器人和人无法顺利通过，则可以通过抛出AGRO进行部署。例如，可以将AGRO从消防梯车上通过窗户扔进燃烧的建筑物中，或从墙上扔进核设施中。可靠且可重复着陆的能力对于继续执行任务至关重要。
巴黎圣母院灭火过程中部署的Colossus机器人
在2019年巴黎圣母院大火的扑救过程中，Colossus机器人的部署是一个的亮点。轮子或履带为机器人提供了快速、有效和可靠地横穿平坦地面并驶过一些小障碍物的手段。但是，大多数轮式机器人的设计都采用了打滑转向或阿克曼转向几何（Ackerman steering geometry）形状，从而限制了它们的移动性，并且，它们很容易被楼梯，路缘，沟渠和其他障碍物阻挡。这些当机器人超出其物理极限时，它们会向侧面或后方倾斜，如果未配备自动校正机制，则需要操作员干预。
著名的波士顿动力有腿机器人
另一方面，有腿机器人可以全向移动并通过跨步或跳跃和着陆来越过此类障碍物，但是商业产品仍然缺乏其轮式同类产品的速度、效率和可靠性。
ODV9机器人
AGRO是一种新颖的敏捷地面机器人，旨在将腿式和轮式平台的最佳属性结合到其设计中，以在紧急情况下具有高度机动性和快速部署性。AGRO原型具有类似于ODV9和AZIMUT的四轮独立驱动和转向（Four-Wheeled Independent Drive andSteering,4WIDS）架构，使其能够在地面上进行准全向操纵。
AZIMUT
受猫的自动扶正反射启发，西点军校的研究人员对独立轮的转动进行控制，通过车轮反作用扭矩在空中对机器人进行姿态调整控制，这使得机器人可以任意抛掷部署，而不用担心由于抛掷的方法、姿态等外部因素影响机器人落地姿态。
猫的自动扶正反射
最新的一项研究中，美国西点军校的研究人员首次使用独立转向轮在地面行驶并在投掷时实现空中姿态控制，同时，研究人员对4WIDS运动学进行新颖的参数化和奇异性分析，揭示了独立的偏航角（yaw），同时调整了侧倾角（roll）和俯仰角（pitch）之间的比率。简单的PD控制器可以稳定侧倾、俯仰和偏航。相关研究在2020年国际机器人会议IROS（International Conference on IntelligentRobots and Systems）上进行了汇报展示。
AGRO硬件结构
AGRO原型（见上图）包含4个转向和驱动模块。每个模块由一个用于驱动的Hoverboard轮毂电机和一个通过自定义安装支架连接到每个车轮的Hitec HS-1000SGT伺服电机组成。前对电机和后对电机分别由ODrive两通道无刷电机控制器驱动。串联连接的两个Turnigy 6s 16Ah锂聚合物电池可为电机驱动提供44.4V电源。DROK DCDC转换器以15A峰值提供12V电压，为四个伺服电机供电。该驱动系统可使AGRO达到11.4 m/s（40.9km/h）的最高速度，从而实现从建筑物到建筑物的快速移动。该结构由槽铝挤压成型和定制喷水铝支架制成。电池固定在底盘中心，紧靠质心。Redshift Labs UM7方向传感器安装在主底座下方，也靠近质心，并以欧拉角，底座角速度和底座加速度测量底座方向。ODrive使用3D打印的组件安装在机箱上，并位于每对轮子之间，以简化电动机电缆的管理。提手安装在机箱上，便于部署。
AGRO灵活转向
Mbed NucleoF446RE微控制器位于“尾部支柱”上，该微控制器执行该系统的所有控制计算。SparkFun Logomatic v2 microSD卡读/写模块与Mbed连接，进行内部记录。FrSky R-XSR RC无线电接收器也安装在此“尾柱”上，并接受FrSkyTaranis QX7发射器的命令。Hella主电源开关用于切换主电池电源。整个原型机器人的质量为23.59千克（52磅）。
AGRO灵活机动
二、空中姿态控制
该应用的新功能是在运动的空中阶段，在该阶段中，摩托轮的反作用扭矩和转向的反作用力均会影响机器人基座的方向。美国西点军校的研究人员对运动学配置如何影响空中姿态控制进行了研究，从而得出运动的动态方程。其运动学坐标系描述如下图所示。
AGRO模型坐标系描述
在空中降落时，研究人员规定左后轮与右前轮（δ1=δ3）和左前右后车轮（δ2=δ4）分别为对称运动。这使研究人员仅考虑可以绕车轮产生反作用转矩的两个轴，而不是四个。然后，将这些轮对的转向运动划分为两个主要的协调子运动：一个子运动α，其中两对轮子在相反的方向上运动；另一个子运动β，其中两对轮子在相同的方向上运动。为了更清楚的说明这些运动，考虑在Bxy平面内的运动情况，如下图所示：
Bxy平面两个主要协调子运动
由上图可知，协调的子运动α和β以不同的方式影响在空中行进的机器人的动力。在设计基本方向控制器之前，必须获得系统的动力方程，从而系统动态特性将得以仿真，并在实际应用之前对控制器进行设计和测试。
机器人基座及车轮受力分析简图
研究人员对该机器人设计了PD控制器，系统框图如下：
机器人系统控制框图
研究人员将机器人悬挂在空中，通过外力改变机器人姿态，利用该控制器实现机器人空中姿态的平稳控制。
悬挂状态姿态控制效果
对于机器人抛掷落地的控制，研究人员首先进行了仿真，效果如下图所示：
AGRO从空中下落仿真
在相同初始姿态下，0.8m高度下落，施加控制与未施加控制的对比如下图所示：
高速摄像机视频静止图像
施加控制与未施加控制对比
三、总结与展望
受猫的自动扶正反射启发，研究人员通过车轮反作用扭矩在空中对AGRO机器人进行姿态调整控制。这是有记载的首次使用独立转向轮在地面上行驶并在投掷时实现空中姿态控制。AGRO已经成功部署，实验表明，AGRO可以利用车轮的反作用扭矩在402毫秒内稳定其方向，未来的工作包括通过在更高的电压下运行来增加车轮扭矩和速度限制，这将允许车轮将更大的总反作用力施加到机器人上。我们将实施和测试一种用于调整转向参数的策略，以最大程度地控制更关键的旋转轴，并考虑到转向产生的陀螺动力学。AGRO-2将配备独立的腿式悬架，使其能够吸收着陆冲击力并向上爬楼梯和路缘。
文献信息
END
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