足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)：六自由度并聯(lián)裝備助力足式機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

隨著足式機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展，四足、雙足人形機(jī)器人在巡檢、應(yīng)急救援、特種作業(yè)等領(lǐng)域逐步落地。足式機(jī)器人核心能力集中在復(fù)雜地形下的行走平衡、抗擾動(dòng)與姿態(tài)維持能力，如何在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下高效復(fù)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)復(fù)雜地面擾動(dòng)，完成步態(tài)算法、平衡控制器的迭代驗(yàn)證，成為研發(fā)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵難點(diǎn)。足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)作為核心試驗(yàn)裝備，為足式機(jī)器人室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試提供重要硬件支撐。

行業(yè)現(xiàn)存測(cè)試痛點(diǎn)

目前足式機(jī)器人性能驗(yàn)證普遍存在諸多現(xiàn)實(shí)短板。傳統(tǒng)測(cè)試手段多依靠實(shí)地戶外場(chǎng)地試驗(yàn)，受地形、氣候、環(huán)境條件制約，擾動(dòng)工況無(wú)法精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，不同版本控制算法之間難以開(kāi)展定量對(duì)比；普通單軸、雙軸搖擺臺(tái)僅可實(shí)現(xiàn)單一維度角度擾動(dòng)，無(wú)法模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中傾斜、顛簸、沖擊、滑移耦合的六維復(fù)合擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)室仿真結(jié)果和實(shí)物測(cè)試存在較大偏差。

部分企業(yè)采用簡(jiǎn)易搭建的試驗(yàn)工裝，無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化軟硬件體系，缺少完整的數(shù)據(jù)記錄與回放能力，故障工況難以復(fù)現(xiàn)追溯。同時(shí)外場(chǎng)測(cè)試樣機(jī)損耗大，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，測(cè)試成本居高不下；普通試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性不足，難以模擬高低溫耦合擾動(dòng)工況，無(wú)法充分考核足式機(jī)器人在環(huán)境下步態(tài)穩(wěn)定性，制約足式機(jī)器人算法迭代與產(chǎn)品落地進(jìn)程。

針對(duì)上述行業(yè)痛點(diǎn)，南京拓維運(yùn)動(dòng)科技作為定制平臺(tái)廠家，推出 TW6 系列足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)，依托成熟六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)技術(shù)，構(gòu)建可控、可復(fù)現(xiàn)、可量化的室內(nèi)擾動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境，完成足式機(jī)器步態(tài)調(diào)試、抗擾動(dòng)性能評(píng)估。

核心技術(shù)架構(gòu)與工作原理

TW6 足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)采用 Stewart 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)架構(gòu)，整套系統(tǒng)包含靜平臺(tái)、多組伺服驅(qū)動(dòng)支鏈、動(dòng)平臺(tái)、高精度鉸接組件。通過(guò)六組伺服驅(qū)動(dòng)單元協(xié)同驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)同步輸出俯仰、橫滾、偏航旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及縱移、橫移、升降三維平移運(yùn)動(dòng)，模擬真實(shí)場(chǎng)景下地面傾斜、顛簸、沖擊、滑移等多維復(fù)合擾動(dòng)。

系統(tǒng)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法完成多軸協(xié)同解算，借助 EtherCAT 高速工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)多軸伺服同步控制；結(jié)合幾何標(biāo)定與熱變形補(bǔ)償，降低裝配誤差、溫度變化帶來(lái)的位姿偏移。試驗(yàn)過(guò)程中，放置于動(dòng)平臺(tái)之上的足式機(jī)器人感知平臺(tái)輸出的擾動(dòng)激勵(lì)，機(jī)器人本體的 IMU、足底力傳感器采集反饋數(shù)據(jù)，與平臺(tái)輸出的標(biāo)準(zhǔn)位姿基準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)分析，完成步態(tài)策略調(diào)優(yōu)、抗擾動(dòng)算法驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)仿真模型與實(shí)物測(cè)試閉環(huán)。

產(chǎn)品基礎(chǔ)參數(shù)與性能指標(biāo)

電氣與軟件系統(tǒng)規(guī)格

電氣規(guī)格

• 電源要求：AC220V/AC380V

• 通訊接口：千兆以太網(wǎng)（EtherCAT）、USB3.0、RS485

• 控制頻率：伺服環(huán) 1000Hz，姿態(tài)環(huán) 200Hz

• 安全等級(jí)：PLd/Cat.3，具備過(guò)載 / 漏電保護(hù)，保障試驗(yàn)樣機(jī)及設(shè)備運(yùn)行安全。

軟件規(guī)格

• 通訊協(xié)議：EtherCAT、UDP、TCP/IP、USB 串行；

• 仿真兼容：X?Plane、P3D、iRacing、CarSim、TruckSim、Prescan、MATLAB/Simulink，支持仿真工況直接下發(fā)至足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)，打通數(shù)字仿真與物理試驗(yàn)鏈路；

• 控制系統(tǒng)：搭載專屬六自由度運(yùn)動(dòng)控制軟件，內(nèi)置專業(yè)洗出算法，支持運(yùn)動(dòng)幅度、擾動(dòng)強(qiáng)度自定義調(diào)節(jié)；開(kāi)放 API/SDK 接口，支持用戶二次開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)工況自定義配置以及完整數(shù)據(jù)日志回放，便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)解析、故障工況復(fù)現(xiàn)，適配足式機(jī)器人步態(tài)算法迭代調(diào)試。

典型應(yīng)用場(chǎng)景與應(yīng)用價(jià)值

足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)面向雙足人形、四足機(jī)器人研發(fā)、標(biāo)定、可靠性測(cè)試全流程，典型應(yīng)用場(chǎng)景如下：

1. 步態(tài)算法抗擾動(dòng)測(cè)試：模擬地面顛簸、坡面傾斜、側(cè)向沖擊、地面滑移等復(fù)合擾動(dòng)工況，測(cè)試足式機(jī)器人在各類擾動(dòng)下步態(tài)維持、姿態(tài)恢復(fù)能力，對(duì)比不同步態(tài)控制策略性能差異，減少外場(chǎng)試驗(yàn)頻次。

2. 足底感知與慣性傳感器標(biāo)定試驗(yàn)：輸出標(biāo)準(zhǔn)化六維擾動(dòng)激勵(lì)，完成足式機(jī)器人足底力傳感器、IMU 姿態(tài)單元標(biāo)定校驗(yàn)，評(píng)估傳感器受擾動(dòng)條件下輸出誤差，優(yōu)化感知解算精度。

3. 高低溫耦合環(huán)境可靠性驗(yàn)證：平臺(tái)可在?20℃?70℃寬溫域環(huán)境穩(wěn)定工作，可配合環(huán)境艙完成高低溫疊加擾動(dòng)的綜合試驗(yàn)，考核整機(jī)、控制器、傳感器在復(fù)雜工況下長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

4. 硬件在環(huán)聯(lián)合仿真試驗(yàn)：對(duì)接 MATLAB/Simulink、Prescan 仿真工具，搭建硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，將仿真生成的地形擾動(dòng)信號(hào)直接輸出到實(shí)體足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)仿真?實(shí)物聯(lián)合驗(yàn)證，加速算法從仿真走向?qū)嵨锫涞亍?/span>

借助該平臺(tái)，大量外場(chǎng)試驗(yàn)工作可以轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部完成，試驗(yàn)工況可重復(fù)復(fù)現(xiàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)可量化追溯，有效縮短足式機(jī)器人研發(fā)迭代周期，降低樣機(jī)損耗與實(shí)地測(cè)試成本。

總結(jié)

足式機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)與抗擾動(dòng)能力是產(chǎn)品商業(yè)化落地的核心指標(biāo)，足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)作為室內(nèi)關(guān)鍵試驗(yàn)裝備，為步態(tài)算法開(kāi)發(fā)、樣機(jī)性能評(píng)估提供可控的物理試驗(yàn)條件。南京拓維運(yùn)動(dòng)科技 TW6 系列足式機(jī)器人擾動(dòng)模擬平臺(tái)依托六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，支持寬載荷范圍與非標(biāo)定制，配套完整電氣與開(kāi)放軟件生態(tài)，服務(wù)于科研院校與機(jī)器人企業(yè)，助力足式機(jī)器人測(cè)試流程標(biāo)準(zhǔn)化、試驗(yàn)過(guò)程智能化，推動(dòng)國(guó)內(nèi)足式機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)持續(xù)升級(jí)。