人工智能|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
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 。 雷锋网雷锋网雷锋网
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