六自由度擾動(dòng)模擬平臺(tái)：復(fù)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，開展機(jī)器人抗干擾平衡訓(xùn)練

隨著足式機(jī)器人、移動(dòng)人形機(jī)器人技術(shù)快速迭代，機(jī)器人的戶外作業(yè)、艦船搭載、山地行進(jìn)、顛簸運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)景應(yīng)用持續(xù)落地。在實(shí)際工況當(dāng)中，機(jī)器人會(huì)持續(xù)面對(duì)側(cè)向傾斜、地面滑移、升降顛簸、搖擺晃動(dòng)等復(fù)合基底擾動(dòng)，外部環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化直接考驗(yàn)機(jī)器人 IMU 姿態(tài)解算精度、全身協(xié)同控制邏輯以及抗傾覆平衡能力。

現(xiàn)階段機(jī)器人平衡算法研發(fā)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)存在諸多行業(yè)痛點(diǎn)：外場(chǎng)實(shí)地環(huán)境試驗(yàn)條件不可控，艦船甲板浪涌、山地顛簸等工況難以重復(fù)復(fù)現(xiàn)，試驗(yàn)受天氣、場(chǎng)地條件制約大，試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散，不利于算法迭代對(duì)比；傳統(tǒng)單維度振動(dòng)、搖擺試驗(yàn)設(shè)備僅能夠?qū)崿F(xiàn)單一姿態(tài)激勵(lì)，無法模擬多維度耦合的復(fù)合基底擾動(dòng)，難以真實(shí)還原復(fù)雜真實(shí)環(huán)境對(duì)機(jī)器人基底帶來的綜合影響；部分試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)封閉，難以對(duì)接主流仿真工具，缺少二次開發(fā)能力，無法靈活編輯各類擾動(dòng)工況；重載、大尺寸機(jī)器人樣機(jī)缺少適配的試驗(yàn)載體，部分設(shè)備載荷范圍有限，難以覆蓋從輕載樣機(jī)到大噸位整機(jī)的測(cè)試需求；同時(shí)很多測(cè)試裝置安全防護(hù)體系不足，機(jī)器人傾覆故障下存在設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，制約平衡訓(xùn)練試驗(yàn)常態(tài)化開展。

針對(duì)機(jī)器人抗干擾平衡訓(xùn)練的行業(yè)試驗(yàn)難題，南京拓維運(yùn)動(dòng)科技作為定制平臺(tái)廠家，推出 TW6 系列六自由度擾動(dòng)模擬平臺(tái)，可復(fù)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，開展抗干擾平衡訓(xùn)練，精準(zhǔn)模擬側(cè)向傾斜、地面滑移、升降顛簸、搖擺晃動(dòng)等復(fù)合工況，還原艦船甲板、山地、顛簸運(yùn)輸?shù)日鎸?shí)環(huán)境。平臺(tái)通過可控的外部基底擾動(dòng)輸入，倒逼機(jī)器人控制系統(tǒng)完成姿態(tài)補(bǔ)償、重心偏移、邁步調(diào)整等平衡動(dòng)作，用于訓(xùn)練 IMU 姿態(tài)解算、全身協(xié)同控制算法，檢驗(yàn)機(jī)器人受擾動(dòng)后的恢復(fù)平衡、抗傾覆能力，充分暴露控制算法潛在缺陷，將外場(chǎng)環(huán)境遷移至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)工況可控、軌跡可復(fù)現(xiàn)、數(shù)據(jù)可追溯，為人形、足式機(jī)器人控制算法研發(fā)提供可靠硬件支撐。

核心技術(shù)架構(gòu)與工作原理

TW6 系列六自由度擾動(dòng)模擬平臺(tái)基于 Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型搭建，整套系統(tǒng)包含靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、六組伺服驅(qū)動(dòng)支鏈、鉸接單元以及整套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)由六組伺服支鏈通過球鉸、虎克鉸分別連接靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)，整體結(jié)構(gòu)剛性高，載荷由多支鏈共同分擔(dān)，不存在串聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差累積問題，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)異，適合輸出高頻、多維度耦合的基底擾動(dòng)激勵(lì)。

系統(tǒng)依托運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)工況輸出，操作人員在控制系統(tǒng)內(nèi)編輯側(cè)向傾斜、滑移、顛簸、搖擺等目標(biāo)擾動(dòng)工況，控制器將六維目標(biāo)位姿實(shí)時(shí)解算轉(zhuǎn)換為六組伺服支鏈的位移、速度、加速度指令，驅(qū)動(dòng)各支鏈協(xié)同運(yùn)動(dòng)，同步輸出俯仰、橫滾、偏航旋轉(zhuǎn)姿態(tài)與縱移、橫移、升降平移運(yùn)動(dòng)，在動(dòng)平臺(tái)上復(fù)現(xiàn)艦船甲板、山地路面等復(fù)雜環(huán)境帶來的復(fù)合基底擾動(dòng)。被測(cè)機(jī)器人安置于動(dòng)平臺(tái)之上，平臺(tái)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)作為外部基底擾動(dòng)施加給機(jī)器人本體；機(jī)器人 IMU 采集擾動(dòng)條件下姿態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)自身控制系統(tǒng)開展姿態(tài)補(bǔ)償、重心調(diào)節(jié)、邁步恢復(fù)平衡等動(dòng)作，完成抗干擾平衡訓(xùn)練與算法驗(yàn)證；系統(tǒng)內(nèi)置姿態(tài)補(bǔ)償算法，抑制平臺(tái)自身運(yùn)動(dòng)漂移，保障擾動(dòng)激勵(lì)輸出精度，保證試驗(yàn)條件一致性。

產(chǎn)品關(guān)鍵參數(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，適配不同試驗(yàn)場(chǎng)地供電條件

• 通訊接口：千兆以太網(wǎng)（EtherCAT）、USB3.0、RS485，多接口滿足組網(wǎng)對(duì)接需求

• 控制頻率：伺服環(huán) 1000Hz，姿態(tài)環(huán) 200Hz，保障動(dòng)態(tài)擾動(dòng)工況的響應(yīng)與同步性能

• 安全等級(jí)：PLd/Cat.3，具備過載、漏電保護(hù)，應(yīng)對(duì)機(jī)器人傾覆、過載等意外工況，保障試驗(yàn)設(shè)備安全。

軟件規(guī)格

• 通訊協(xié)議：EtherCAT、UDP、TCP/IP、USB 串行，支持多種上位機(jī)對(duì)接方式，可通過 UDP 下發(fā)自定義擾動(dòng)位姿指令

• 仿真軟件兼容：X?Plane、P3D、iRacing、CarSim、TruckSim、Prescan、MATLAB/Simulink，支持半實(shí)物仿真閉環(huán)試驗(yàn)

• 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?jǐn)_動(dòng)幅度、擾動(dòng)頻率自定義調(diào)節(jié)；開放 API/ SDK 接口，支持用戶二次開發(fā)，用戶可自由編輯側(cè)向傾斜、滑移、顛簸、搖擺等復(fù)合擾動(dòng)工況，完整記錄試驗(yàn)全過程數(shù)據(jù)，支持日志回放，便于對(duì)機(jī)器人平衡控制算法進(jìn)行復(fù)盤分析。

典型應(yīng)用場(chǎng)景與價(jià)值

復(fù)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，開展抗干擾平衡訓(xùn)練，TW6 六自由度擾動(dòng)模擬平臺(tái)為機(jī)器人算法研發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)化室內(nèi)試驗(yàn)條件，規(guī)避外場(chǎng)試驗(yàn)不確定性，加速控制算法迭代優(yōu)化。

1. 人形機(jī)器人、足式機(jī)器人算法訓(xùn)練：模擬側(cè)向傾斜、地面滑移、升降顛簸、搖擺晃動(dòng)復(fù)合基底擾動(dòng)，訓(xùn)練機(jī)器人 IMU 姿態(tài)解算、全身協(xié)同控制算法，驗(yàn)證機(jī)器人受擾動(dòng)后重心調(diào)節(jié)、邁步恢復(fù)平衡、抗傾覆性能，快速暴露控制邏輯缺陷，減少外場(chǎng)試驗(yàn)次數(shù)。

2. 艦船搭載機(jī)器人環(huán)境模擬測(cè)試：復(fù)現(xiàn)艦船甲板浪涌搖擺、俯仰橫滾傾斜工況，對(duì)船用作業(yè)機(jī)器人開展抗干擾平衡訓(xùn)練，考核機(jī)器人在海洋擾動(dòng)基底條件下作業(yè)穩(wěn)定性。

3. 山地與車載運(yùn)輸機(jī)器人可靠性驗(yàn)證：還原山地非平整路面、車輛顛簸運(yùn)輸環(huán)境的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，檢驗(yàn)移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜地面激勵(lì)下的平衡保持能力，優(yōu)化行走平衡控制策略。

4. 科研院所與高校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室：可自定義編輯各類單維、多維耦合擾動(dòng)工況，用于機(jī)器人平衡控制課題研究、教學(xué)試驗(yàn)，對(duì)接 MATLAB/Simulink 完成半實(shí)物仿真，支撐機(jī)器人控制技術(shù)科研項(xiàng)目開展。

5. 特種移動(dòng)裝備樣機(jī)驗(yàn)證：針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人整機(jī)樣機(jī)開展批量重復(fù)擾動(dòng)試驗(yàn)，完成不同強(qiáng)度等級(jí)下抗干擾平衡測(cè)試，完成算法定型前期可靠性驗(yàn)證。

通過平臺(tái)開展抗干擾平衡訓(xùn)練，科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)試驗(yàn)可重復(fù)、工況參數(shù)可量化，把大量算法驗(yàn)證工作前置在實(shí)驗(yàn)室階段，降低外場(chǎng)試驗(yàn)成本與風(fēng)險(xiǎn)，縮短機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)迭代周期。

結(jié)語

人形及足式機(jī)器人的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力是產(chǎn)品落地的核心能力，復(fù)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，開展抗干擾平衡訓(xùn)練已經(jīng)成為機(jī)器人控制算法研發(fā)過程中試驗(yàn)環(huán)節(jié)。南京拓維運(yùn)動(dòng)科技 TW6 系列六自由度擾動(dòng)模擬平臺(tái)依托成熟并聯(lián)機(jī)構(gòu)硬件架構(gòu)、高性能伺服控制系統(tǒng)與開放的軟件生態(tài)，能夠靈活復(fù)現(xiàn)側(cè)向傾斜、地面滑移、升降顛簸、搖擺晃動(dòng)等多類復(fù)合擾動(dòng)，為艦船、山地、運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)景下機(jī)器人平衡算法訓(xùn)練提供可靠試驗(yàn)手段，助力機(jī)器人行業(yè)測(cè)試驗(yàn)證流程向著標(biāo)準(zhǔn)化、智能化方向升級(jí)。