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973计划首席科学家高峰:六足腿式机器人的探月优势 | CCF-GAIR 2020

作者:青暮 编辑:刘晓坤
2020/08/13 17:47

8月7日-8月9日,2020年全球人工智能和机器人峰会(简称“CCF-GAIR 2020”)在深圳如期举办!CCF-GAIR由中国计算机学会(CCF)主办,香港中文大学(深圳)、雷锋网联合承办,鹏城实验室、深圳市人工智能与机器人研究院协办,以“AI新基建 产业新机遇”为大会主题,致力打造国内人工智能和机器人领域规模最大、规格最高、跨界最广的学术、工业和投资领域盛会。

8月8日上午,在「机器人前沿专场」上,上海交通大学讲席教授高峰进行了题为「探月足式飞跃机器人设计与控制」的演讲。

高峰教授是国家973计划首席科学家、“国家杰出青年基金”获得者。高峰教授的团队在机器人设计上取得了丰硕的果实,团队研制出了六足章鱼机器人、染色体微操作机器人、巨型重载锻造操作机器人等多项国家重点项目的成果。

在演讲中,高峰教授介绍了团队在月球空间站机器人方面的进展。他介绍了腿式着陆行走机器人的设计方法和实验成果,并强调了六足腿式机器人的优点。

以下是高峰教授在大会的演讲实录,AI 科技评论进行了不修改原意的整理和编辑:


机器人智能和计算机智能有很大的区别,机器人智能是行为智能,行为智能体现在肢体和智慧的结合。实现行为智能是非常复杂的问题,机器人理解环境、理解任务怎么执行,但是要据此表达行为就非常困难。

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具体来说,要实现机器人的行为智能,就是机器人通过视觉、力觉等外部感知系统理解环境和任务,通过控制自身部件的位置、速度、加速度执行任务。

很多国家比如美国计划在月球建空间站,在月球空间站上,机器人是先锋。我国在探月机器人上做了很多探索,我们也参与其中,在这里介绍一下相关工作。

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原来的探月机器人一般带有一个着陆器,着陆器上放一个月球车。这样的探月机器人实际上只能着陆一次,月球车只在着陆器周边做探测工作。我们希望研发出能在月球反复起飞和着陆的探月机器人。着陆器的作用主要是通过被动缓冲吸收能量。下图展示了多个国家的着陆器设计。

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机器人着陆后,还要在星球上探索,即要设计巡视器。传统采用轮式设计,最近我国探测火星的巡视器也是采用轮式设计。轮式设计会用很多电机,每个轮子上有悬挂系统,是很复杂的系统。我认为轮式设计对于外星球探索不是很好的选择,因为外星球没有人工建成的路。

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我们尝试了腿式着陆行走器的设计方案,优点是可以进行多次着陆和主动缓冲,此外还有移动功能、收拢功能,腿式设计能实现着陆姿态的灵活调整,以及适应复杂地形,这是一个复杂的机器人系统。

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探月足式机器人设计

机器腿的设计涉及非常多的内容,比如整体结构、关节、电机、重量、布线、缓冲、力觉、仿真、环境等因素,要做大量的实验和理论分析。重点是三个方面,即机构与传动、感知与驱动、规划与控制。

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接下来我介绍一下探月足式机器人设计的三个重要部件:6维力与力矩传感器、“力-控”复合驱动单元和飞跃器腿部机构

1、6维力与力矩传感器

这是机器人设计中很关键的部件。在6维力与力矩传感器中,装有陀螺加速器,可以辩识被测对象的惯性力和重力。

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我们采用了特殊的并联结构,使传感器具有很好的解耦性。利用这种传感器可以设计出各式各样的产品,包括人体用设备和大型机械设备,还可以做六维鼠标,这在虚拟现实技术中可以发挥重要作用。

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2、“力-控”复合驱动单元

“力-控”复合驱动单元里面装有力矩、减速机、编码器、制动器,力矩传感器使它有很好的力矩感知,可以用来做机器人的手臂和腿。

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3、飞跃器腿部机构

我们希望利用一种机构把三个电机都放在髋关节上,这种机构通过简单的并串联机构实现。将所有驱动布局在身体内有助于外太空环境中的防护,并减轻腿部惯量。驱动关节是水平布置的,工作空间大,可以保证实现收展。

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4、动力学参数设计

我们根据动力学模型建立机器腿的优化结构刚度的优化参数,把优化的目标和约束条件写进去,最后得到腿的最优尺寸、惯量、刚度等。为了缓冲的时候吸收能量,还需要加弹簧,弹簧加大以后会导致行走困难,所以弹簧的刚度匹配也是要优化的参数。最后,我们设计出了两款足式机器人,如下图所示,上面是四足机器人,下面是六足机器人。

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探月足式机器人控制

机器人着陆时,可以通过视觉了解底下的环境,一旦确定环境后,就在2米多高处关掉发动机,机器人通过自由落体降落。月球的重力是地球的1/6,但是这也不算小,机器人着陆时会有很大的冲击力。

我们要让机器人实现平衡着陆,机器腿一开始做低刚度控制,以适应缓冲,着陆时间很短,整个系统每毫秒要控制一次。

机器人控制里面有一个非常核心的问题,即辨识接触刚度,这是机器人力觉智能的核心。下图是示意图,可以测出总的系统刚度,减去机器人的刚度和阻尼,才能知道最后的接触刚度。

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在控制实验中,我们把机器人从2米多高的地方扔下去,看它能不能着陆。

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探月足式机器人实验

我们需要做实验以确定机器人腿部的力如何分配,无论是四足机器人还是六足机器人,除了垂直下落以外,还要考虑水平速度、地形、地面刚度的影响。

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六足机器人的着陆容错性比较高,最多坏了三条腿后还能够成功着陆,不过坏掉的三条腿必须是均匀间隔的三条。

下图展示了着陆以后机器人行走的实验,我们通过模拟月球重力环境,搭建了月球重力模型测试台。通过配重,我们使机器人实际受到的重力与在月球上相同。

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六足机器人的优点

六足机器人有很多优点,比如形态丰富,有圆周腿形、仿昆虫腿形、仿螃蟹腿形等等,不同腿形有不同优点。

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还有,六足机器人可以手脚通用。机器人作业一般都需要有手臂的功能,六足机器人可以把腿翻上去当手用,同时能保持支撑和行走能力。

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此外,六足机器人还可以执行上下楼梯、开关房门、搜索爆物、观察环境、剪断导线、拆卸炸弹、取放物品等任务。

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最后,六足机器人可以实现三足支撑,同时使重心稳定,不需要进行动态控制,只需要静态控制。在行走方面,相比履带,六足机器人可以在不连续的地面上行走。雷锋网雷锋网(公众号:雷锋网)雷锋网

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