北航丁希仑教授团队：多模式移动操作机器人的实用化研究

我国幅员辽阔，自然环境和地形复杂多样，地震和山体滑坡等地质灾害频发，抢险救灾任务繁重；西南地区山地居多，陆疆边防形势严峻，巡逻作战危险困难；航天事业快速发展，深空探测与飞行器在轨维护任务紧迫，作业环境极端苛刻。这些场合多为地质地貌复杂多变的非结构环境，工况极端恶劣，同时作业任务需求多样，亟需环境适应性好、运动高效稳定的特种机器人装备。

▲ 加装机械臂的移动操作机器人

而现有的移动操作机器人多采用构型简单的轮式、履带式或足式等移动机构并在其上简单安装机械手等功能属具，移动和操作模式单一，存在环境适应性差、运动能效低和动态稳定性劣的问题，难以满足复杂多变环境与极端恶劣工况下的稳定移动和灵活作业的任务需求，因此，必须研制具有“一机多能”的多模式移动操作机器人。

多模式移动操作机器人的研究面临兼具结构简单与“一机多能”的机构设计、运动模式多变与环境约束复杂的高效运动规划、快速灵活与稳定可靠的动力学控制三大技术挑战。

针对以上难题，作者及北京航空航天大学空间机器人实验室团队在国家高技术研究发展计划(简称863 计划)、国家重点基础研究发展计划(简称973 计划)、国家重点研发计划、国家自然科学基金、探月工程等项目支持下，从2002 年开始，经过20 多年产学研联合攻关，在腿臂融合多模式移动操作机器人的变拓扑机构设计、多模式移动混合运动规划、腿臂融合协调运动规划以及动力学稳定控制等方面取得了重要理论创新与关键技术突破，迄今为止发明并研制出六足轮腿星球探测机器人、四足腿臂融合空间站维护维修机器人、轮履复合式双臂手抢险救灾机器人、操作一体化腿臂复合式六足防暴拆爆机器人等系列多模式移动操作机器人，解决了非结构环境下作业的移动稳定性和操作灵活性问题，为我国多模式移动操作机器人的实用化研究奠定了良好的理论与实践基础。

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（丁希仑著. 北京：科学出版社，2023.11）一书以四足腿臂融合空间站维护维修机器人、四足变拓扑多功能仿生机器人、六足轮腿星球探测机器人NOROS、四足被动轮滑机器人为研究对象，详细阐述多模式移动操作机器人的变拓扑机构设计理论与方法、混合运动规划方法和动力学稳定控制技术，建立高性能腿臂融合多模式移动操作机器人设计的基础理论体系，同时，通过仿真和样机实验验证相关理论和技术的可行性，为多模式移动操作机器人的发展提供了理论基础和技术支撑。

全书各章节的内容简介如下：

• 第1 章介绍多模式移动操作机器人的相关研究背景，指出目前该领域发展所存在的难点、挑战与需解决的关键技术。

• 第2 章揭示马适应高速运动的腿肢结构大承载死点支撑效应，以及昆虫适应复杂地形行走的肢体结构高灵活性运动机理，介绍径向对称圆周分布六足机器人、四足变拓扑机器人等机构构型。

▲ 仿马肢体获得最佳支撑姿态

• 第3 章展示可实现“一机多能”的轮腿复合机构设计、机器人腿臂融合分支机构设计与多功能模块化操作属具的设计方案。

• 第4 章阐述岩羊、骆驼、水牛等动物适应特殊地形地质环境行走的大附着力高效移动机理，介绍能够实现机器人适应硬质地面、软质地面、沙地可靠附着稳定行走的系列模块化仿生机械足。

• 第5 章阐述四足变拓扑机器人的构型切换及仿生步态规划方法，介绍仿山羊四足机器人的仿生爬坡步态。

▲ 爬虫-外展哺乳动物构型切换过程

• 第6 章阐述NOROS 机器人的运动步态规划、轮腿运动模式切换规划方法，介绍存在腿分支或关节发生故障时的六足机器人容错步态，以及机器人在发生翻倒时的自恢复运动规划。

• 第7 章介绍NOROS 机器人的序列运动等价机构模型，以及基于该模型的稳定工作空间与步幅分析，进而提出六足机器人的腿臂融合移动操作规划方法。

▲ 两腿臂融合肢体进行协调剪切作业

• 第8 章阐述轮腿多模式协同运动路径规划方法，包含轮式与腿式运动的通过性分析、基于Anytime RRT 的轮腿混合运动规划方法。

• 第9 章介绍机器人的质心运动学公式，详细阐述机器人质心运动学模型的建立方法，给出质心运动学模型在四足被动轮滑机器人和六足腿臂融合机器人运动控制中的应用实例，介绍其应用方法。

• 第10 章阐述机器人在三维特殊欧氏群(简称SE(3))上惯性中心的概念，进而介绍基于惯性中心的机器人动力学建模方法与其在四足步行机器人和四足被动轮滑机器人控制中的应用。

• 第11 章介绍不需要视觉、雷达信息和先验地图的多足机器人自适应步态控制技术，以及虚拟支撑平面的概念和基于指数映射在SE(3)空间的机身轨迹规划，展示该技术在六足机器人与四足机器人中的实际应用。

▲ 六足机器人通过自适应步态无视觉导航穿过障碍

本书所述的理论、技术及相关的成果是在国家自然科学基金创新研究群体项目“机器人仿生基础理论与关键技术”(编号T2121003)、国家重点研发计划“智能机器人”重点专项项目“不同介质表面的攀附机理与机器人仿生创新设计”(编号2019YFB1309600)和863 计划项目“轮腿式多足机器人群体系统技术研究与应用”(编号2006AA04Z207)等的支持下完成的。

本书理论联系实际，展示了可实现机器人在复杂环境中高效稳定运动与灵巧作业的方法及途径，可供机械工程、控制科学与工程、机器人工程等专业的高年级本科生、研究生与相关科研人员参考。

“十四五”国家重点出版物出版规划项目

智能机器人基础理论与关键技术丛书

为深入贯彻落实《“十四五”机器人产业发展规划》，加快推动机器人产业高质量发展，加强国家重大科技成果应用转化，科学出版社联合工业和信息化部产业发展促进中心策划出版“十四五”国家重点出版物出版规划项目“智能机器人基础理论与关键技术丛书”。丛书围绕国家重点研发计划“智能机器人”重点专项，内容涵盖机器人基础前沿理论、共性技术、关键技术与装备、应用示范等方面，详细介绍近年来我国在智能机器人领域研究取得的丰富成果，促进我国科研成果知识产权保护和研究成果示范推广。

丛书策划：裴 育 朱英彪

（丛书出版事宜请扫码联系编辑）

本文摘编自《多模式移动操作机器人》（丁希仑著. 北京：科学出版社，2023.11）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(智能机器人基础理论与关键技术丛书)

“十四五”国家重点出版物出版规划项目

ISBN 978-7-03-076439-3

责任编辑：裴 育 陈 婕 纪四稳

本书内容涵盖了轮腿复合与腿臂融合多模式移动操作机器人的机构设计、运动规划与控制方法等相关技术；介绍了四足变拓扑构型机器人和径向对称圆周分布六足机器人，展示了多种轮腿复合、腿臂融合机构与模块化仿生足的设计；阐释了多模式移动操作机器人的步态规划、操作规划、模式切换与轮腿协同路径规划方法；演绎了基于质心运动学的移动操作控制方法、基于惯性中心在SE(3)上指数坐标的多足机器人动力学控制方法及其自适应步态控制技术。

（本文编辑：刘四旦）

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