8月7日-8月9日，2020年全球人工智能和機(jī)器人峰會(huì)（簡稱“CCF-GAIR 2020”）在深圳如期舉辦！CCF-GAIR由中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）主辦，香港中文大學(xué)（深圳）、雷鋒網(wǎng)聯(lián)合承辦，鵬城實(shí)驗(yàn)室、深圳市人工智能與機(jī)器人研究院協(xié)辦，以“AI新基建 產(chǎn)業(yè)新機(jī)遇”為大會(huì)主題，致力打造國內(nèi)人工智能和機(jī)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(huì)。

8月8日上午，在「機(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)與控制」的演講。

高峰教授是國家973計(jì)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(duì)在機(jī)器人設(shè)計(jì)上取得了豐碩的果實(shí)，團(tuán)隊(duì)研制出了六足章魚機(jī)器人、染色體微操作機(jī)器人、巨型重載鍛造操作機(jī)器人等多項(xiàng)國家重點(diǎn)項(xiàng)目的成果。

在演講中，高峰教授介紹了團(tuán)隊(duì)在月球空間站機(jī)器人方面的進(jìn)展。他介紹了腿式著陸行走機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)成果，并強(qiáng)調(diào)了六足腿式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。

以下是高峰教授在大會(huì)的演講實(shí)錄，AI 科技評論進(jìn)行了不修改原意的整理和編輯：

機(jī)器人智能和計(jì)算機(jī)智能有很大的區(qū)別，機(jī)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(shí)現(xiàn)行為智能是非常復(fù)雜的問題，機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行為智能，就是機(jī)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(jì)劃在月球建空間站，在月球空間站上，機(jī)器人是先鋒。我國在探月機(jī)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(jī)器人一般帶有一個(gè)著陸器，著陸器上放一個(gè)月球車。這樣的探月機(jī)器人實(shí)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(jī)器人。著陸器的作用主要是通過被動(dòng)緩沖吸收能量。下圖展示了多個(gè)國家的著陸器設(shè)計(jì)。

機(jī)器人著陸后，還要在星球上探索，即要設(shè)計(jì)巡視器。傳統(tǒng)采用輪式設(shè)計(jì)，最近我國探測火星的巡視器也是采用輪式設(shè)計(jì)。輪式設(shè)計(jì)會(huì)用很多電機(jī)，每個(gè)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(jì)對于外星球探索不是很好的選擇，因?yàn)橥庑乔驔]有人工建成的路。

   

我們嘗試了腿式著陸行走器的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行多次著陸和主動(dòng)緩沖，此外還有移動(dòng)功能、收攏功能，腿式設(shè)計(jì)能實(shí)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(gè)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。

探月足式機(jī)器人設(shè)計(jì)

機(jī)器腿的設(shè)計(jì)涉及非常多的內(nèi)容，比如整體結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)、電機(jī)、重量、布線、緩沖、力覺、仿真、環(huán)境等因素，要做大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析。重點(diǎn)是三個(gè)方面，即機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)、感知與驅(qū)動(dòng)、規(guī)劃與控制。

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

1、6維力與力矩傳感器

這是機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jì)出各式各樣的產(chǎn)品，包括人體用設(shè)備和大型機(jī)械設(shè)備，還可以做六維鼠標(biāo)，這在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中可以發(fā)揮重要作用。

2、“力-控”復(fù)合驅(qū)動(dòng)單元

“力-控”復(fù)合驅(qū)動(dòng)單元里面裝有力矩、減速機(jī)、編碼器、制動(dòng)器，力矩傳感器使它有很好的力矩感知，可以用來做機(jī)器人的手臂和腿。

3、飛躍器腿部機(jī)構(gòu)

我們希望利用一種機(jī)構(gòu)把三個(gè)電機(jī)都放在髖關(guān)節(jié)上，這種機(jī)構(gòu)通過簡單的并串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。將所有驅(qū)動(dòng)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(dòng)關(guān)節(jié)是水平布置的，工作空間大，可以保證實(shí)現(xiàn)收展。

4、動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)

我們根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型建立機(jī)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(shí)候吸收能量，還需要加彈簧，彈簧加大以后會(huì)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(jì)出了兩款足式機(jī)器人，如下圖所示，上面是四足機(jī)器人，下面是六足機(jī)器人。

探月足式機(jī)器人控制

機(jī)器人著陸時(shí)，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(dòng)機(jī)，機(jī)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(jī)器人著陸時(shí)會(huì)有很大的沖擊力。

我們要讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)平衡著陸，機(jī)器腿一開始做低剛度控制，以適應(yīng)緩沖，著陸時(shí)間很短，整個(gè)系統(tǒng)每毫秒要控制一次。

機(jī)器人控制里面有一個(gè)非常核心的問題，即辨識接觸剛度，這是機(jī)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(jī)器人的剛度和阻尼，才能知道最后的接觸剛度。

在控制實(shí)驗(yàn)中，我們把機(jī)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)

我們需要做實(shí)驗(yàn)以確定機(jī)器人腿部的力如何分配，無論是四足機(jī)器人還是六足機(jī)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(jī)器人的著陸容錯(cuò)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(jī)器人行走的實(shí)驗(yàn)，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(tái)。通過配重，我們使機(jī)器人實(shí)際受到的重力與在月球上相同。

六足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)

六足機(jī)器人有很多優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。

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

此外，六足機(jī)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(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)三足支撐，同時(shí)使重心穩(wěn)定，不需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，只需要靜態(tài)控制。在行走方面，相比履帶，六足機(jī)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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