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(xué)會（CCF）主辦，香港中文大學(xué)（深圳）、雷鋒網(wǎng)聯(lián)合承辦，鵬城實驗室、深圳市人工智能與機器人研究院協(xié)辦，以“AI新基建 產(chǎn)業(yè)新機遇”為大會主題，致力打造國內(nèi)人工智能和機器人領(lǐng)域規(guī)模最大、規(guī)格最高、跨界最廣的學(xué)術(shù)、工業(yè)和投資領(lǐng)域盛會。

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

高峰教授是國家973計劃首席科學(xué)家、“國家杰出青年基金”獲得者。高峰教授的團(tuán)隊在機器人設(shè)計上取得了豐碩的果實，團(tuán)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(tuán)隊在月球空間站機器人方面的進(jìn)展。他介紹了腿式著陸行走機器人的設(shè)計方法和實驗成果，并強調(diào)了六足腿式機器人的優(yōu)點。

以下是高峰教授在大會的演講實錄，AI 科技評論進(jìn)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(qū)別，機器人智能是行為智能，行為智能體現(xiàn)在肢體和智慧的結(jié)合。實現(xiàn)行為智能是非常復(fù)雜的問題，機器人理解環(huán)境、理解任務(wù)怎么執(zhí)行，但是要據(jù)此表達(dá)行為就非常困難。

具體來說，要實現(xiàn)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(tǒng)理解環(huán)境和任務(wù)，通過控制自身部件的位置、速度、加速度執(zhí)行任務(wù)。

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(guān)工作。

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(fā)出能在月球反復(fù)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(shè)計。

機器人著陸后，還要在星球上探索，即要設(shè)計巡視器。傳統(tǒng)采用輪式設(shè)計，最近我國探測火星的巡視器也是采用輪式設(shè)計。輪式設(shè)計會用很多電機，每個輪子上有懸掛系統(tǒng)，是很復(fù)雜的系統(tǒng)。我認(rèn)為輪式設(shè)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。

   

我們嘗試了腿式著陸行走器的設(shè)計方案，優(yōu)點是可以進(jìn)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(shè)計能實現(xiàn)著陸姿態(tài)的靈活調(diào)整，以及適應(yīng)復(fù)雜地形，這是一個復(fù)雜的機器人系統(tǒng)。

探月足式機器人設(shè)計

機器腿的設(shè)計涉及非常多的內(nèi)容，比如整體結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)、電機、重量、布線、緩沖、力覺、仿真、環(huán)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(gòu)與傳動、感知與驅(qū)動、規(guī)劃與控制。

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

1、6維力與力矩傳感器

這是機器人設(shè)計中很關(guān)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。

 

我們采用了特殊的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使傳感器具有很好的解耦性。利用這種傳感器可以設(shè)計出各式各樣的產(chǎn)品，包括人體用設(shè)備和大型機械設(shè)備，還可以做六維鼠標(biāo)，這在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中可以發(fā)揮重要作用。

2、“力-控”復(fù)合驅(qū)動單元

“力-控”復(fù)合驅(qū)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。

3、飛躍器腿部機構(gòu)

我們希望利用一種機構(gòu)把三個電機都放在髖關(guān)節(jié)上，這種機構(gòu)通過簡單的并串聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)。將所有驅(qū)動布局在身體內(nèi)有助于外太空環(huán)境中的防護(hù)，并減輕腿部慣量。驅(qū)動關(guān)節(jié)是水平布置的，工作空間大，可以保證實現(xiàn)收展。

4、動力學(xué)參數(shù)設(shè)計

我們根據(jù)動力學(xué)模型建立機器腿的優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化參數(shù)，把優(yōu)化的目標(biāo)和約束條件寫進(jìn)去，最后得到腿的最優(yōu)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(dǎo)致行走困難，所以彈簧的剛度匹配也是要優(yōu)化的參數(shù)。最后，我們設(shè)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。

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(huán)境，一旦確定環(huán)境后，就在2米多高處關(guān)掉發(fā)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(xiàn)平衡著陸，機器腿一開始做低剛度控制，以適應(yīng)緩沖，著陸時間很短，整個系統(tǒng)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(tǒng)剛度，減去機器人的剛度和阻尼，才能知道最后的接觸剛度。

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。

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。

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(huán)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。

六足機器人的優(yōu)點

六足機器人有很多優(yōu)點，比如形態(tài)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(yōu)點。

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

此外，六足機器人還可以執(zhí)行上下樓梯、開關(guān)房門、搜索爆物、觀察環(huán)境、剪斷導(dǎo)線、拆卸炸彈、取放物品等任務(wù)。

最后，六足機器人可以實現(xiàn)三足支撐，同時使重心穩(wěn)定，不需要進(jìn)行動態(tài)控制，只需要靜態(tài)控制。在行走方面，相比履帶，六足機器人可以在不連續(xù)的地面上行走。雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)

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