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973計劃首席科學家高峰:六足腿式機器人的探月優勢

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8月7日-8月9日,2020年全球人工智能和機器人峰會(簡稱“CCF-GAIR 2020”)在深圳如期舉辦!CCF-GAIR由中國計算機學會(CCF)主辦,香港中文大學(深圳)、雷鋒網聯合承辦,鵬城實驗室、深圳市人工智能與機器人研究院協辦,以“AI新基建 產業新機遇”為大會主題,致力打造國內人工智能和機器人領域規模最大、規格最高、跨界最廣的學術、工業和投資領域盛會。

8月8日上午,在「機器人前沿專場」上,上海交通大學講席教授高峰進行了題為「探月足式飛躍機器人設計與控制」的演講。

高峰教授是國家973計劃首席科學家、“國家杰出青年基金”獲得者。高峰教授的團隊在機器人設計上取得了豐碩的果實,團隊研制出了六足章魚機器人、染色體微操作機器人、巨型重載鍛造操作機器人等多項國家重點項目的成果。

在演講中,高峰教授介紹了團隊在月球空間站機器人方面的進展。他介紹了腿式著陸行走機器人的設計方法和實驗成果,并強調了六足腿式機器人的優點。

以下是高峰教授在大會的演講實錄,AI 科技評論進行了不修改原意的整理和編輯:


機器人智能和計算機智能有很大的區別,機器人智能是行為智能,行為智能體現在肢體和智慧的結合。實現行為智能是非常復雜的問題,機器人理解環境、理解任務怎么執行,但是要據此表達行為就非常困難。

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具體來說,要實現機器人的行為智能,就是機器人通過視覺、力覺等外部感知系統理解環境和任務,通過控制自身部件的位置、速度、加速度執行任務。

很多國家比如美國計劃在月球建空間站,在月球空間站上,機器人是先鋒。我國在探月機器人上做了很多探索,我們也參與其中,在這里介紹一下相關工作。

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原來的探月機器人一般帶有一個著陸器,著陸器上放一個月球車。這樣的探月機器人實際上只能著陸一次,月球車只在著陸器周邊做探測工作。我們希望研發出能在月球反復起飛和著陸的探月機器人。著陸器的作用主要是通過被動緩沖吸收能量。下圖展示了多個國家的著陸器設計。

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機器人著陸后,還要在星球上探索,即要設計巡視器。傳統采用輪式設計,最近我國探測火星的巡視器也是采用輪式設計。輪式設計會用很多電機,每個輪子上有懸掛系統,是很復雜的系統。我認為輪式設計對于外星球探索不是很好的選擇,因為外星球沒有人工建成的路。

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我們嘗試了腿式著陸行走器的設計方案,優點是可以進行多次著陸和主動緩沖,此外還有移動功能、收攏功能,腿式設計能實現著陸姿態的靈活調整,以及適應復雜地形,這是一個復雜的機器人系統。

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探月足式機器人設計

機器腿的設計涉及非常多的內容,比如整體結構、關節、電機、重量、布線、緩沖、力覺、仿真、環境等因素,要做大量的實驗和理論分析。重點是三個方面,即機構與傳動、感知與驅動、規劃與控制。

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接下來我介紹一下探月足式機器人設計的三個重要部件:6維力與力矩傳感器、“力-控”復合驅動單元和飛躍器腿部機構

1、6維力與力矩傳感器

這是機器人設計中很關鍵的部件。在6維力與力矩傳感器中,裝有陀螺加速器,可以辯識被測對象的慣性力和重力。

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我們采用了特殊的并聯結構,使傳感器具有很好的解耦性。利用這種傳感器可以設計出各式各樣的產品,包括人體用設備和大型機械設備,還可以做六維鼠標,這在虛擬現實技術中可以發揮重要作用。

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2、“力-控”復合驅動單元

“力-控”復合驅動單元里面裝有力矩、減速機、編碼器、制動器,力矩傳感器使它有很好的力矩感知,可以用來做機器人的手臂和腿。

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3、飛躍器腿部機構

我們希望利用一種機構把三個電機都放在髖關節上,這種機構通過簡單的并串聯機構實現。將所有驅動布局在身體內有助于外太空環境中的防護,并減輕腿部慣量。驅動關節是水平布置的,工作空間大,可以保證實現收展。

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4、動力學參數設計

我們根據動力學模型建立機器腿的優化結構剛度的優化參數,把優化的目標和約束條件寫進去,最后得到腿的最優尺寸、慣量、剛度等。為了緩沖的時候吸收能量,還需要加彈簧,彈簧加大以后會導致行走困難,所以彈簧的剛度匹配也是要優化的參數。最后,我們設計出了兩款足式機器人,如下圖所示,上面是四足機器人,下面是六足機器人。

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探月足式機器人控制

機器人著陸時,可以通過視覺了解底下的環境,一旦確定環境后,就在2米多高處關掉發動機,機器人通過自由落體降落。月球的重力是地球的1/6,但是這也不算小,機器人著陸時會有很大的沖擊力。

我們要讓機器人實現平衡著陸,機器腿一開始做低剛度控制,以適應緩沖,著陸時間很短,整個系統每毫秒要控制一次。

機器人控制里面有一個非常核心的問題,即辨識接觸剛度,這是機器人力覺智能的核心。下圖是示意圖,可以測出總的系統剛度,減去機器人的剛度和阻尼,才能知道最后的接觸剛度。

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在控制實驗中,我們把機器人從2米多高的地方扔下去,看它能不能著陸。

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探月足式機器人實驗

我們需要做實驗以確定機器人腿部的力如何分配,無論是四足機器人還是六足機器人,除了垂直下落以外,還要考慮水平速度、地形、地面剛度的影響。

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六足機器人的著陸容錯性比較高,最多壞了三條腿后還能夠成功著陸,不過壞掉的三條腿必須是均勻間隔的三條。

下圖展示了著陸以后機器人行走的實驗,我們通過模擬月球重力環境,搭建了月球重力模型測試臺。通過配重,我們使機器人實際受到的重力與在月球上相同。

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六足機器人的優點

六足機器人有很多優點,比如形態豐富,有圓周腿形、仿昆蟲腿形、仿螃蟹腿形等等,不同腿形有不同優點。

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還有,六足機器人可以手腳通用。機器人作業一般都需要有手臂的功能,六足機器人可以把腿翻上去當手用,同時能保持支撐和行走能力。

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此外,六足機器人還可以執行上下樓梯、開關房門、搜索爆物、觀察環境、剪斷導線、拆卸炸彈、取放物品等任務。

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最后,六足機器人可以實現三足支撐,同時使重心穩定,不需要進行動態控制,只需要靜態控制。在行走方面,相比履帶,六足機器人可以在不連續的地面上行走。 雷鋒網雷鋒網雷鋒網 (公眾號:雷鋒網)

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