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讲座回顾——四足机器人环境感知与智能控制研究

  • 2020.08.21
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8月19日,我院项目负责人孙彩明博士带来主题为“四足机器人环境感知与智能控制研究”的直播讲座,以下为讲座回顾。

        本周三,AIRS 项⽬负责⼈孙彩明博士为我们带来主题为“四足机器人环境感知与智能控制研究”的讲座,本次讲座由AIRS特种机器人研究中心主任丁宁博士主持,以下为讲座内容回顾。

        孙彩明博士的讲座聚焦于四足机器人的实时地形感知和人工智能控制,梳理出了制约四足机器人走向成熟的关键技术问题。讲座首先引出了四足机器人在足式动物在运动灵活性、环境适应性方面具有显著优势。自然界50%以上陆地地面无法使用轮式或履带式车辆通过,而自然界生活着大量的四足动物,经历了千万年来的自然演进具备了天然的优势。相比于轮式和履带式机器人,四足机器人具备了两大移动优势:离散落脚点和多自由度多肢体运动。

        离散落脚点能够帮助四足机器人适应复杂多变的地形、不同的路面状况,能够跨越障碍物和沟壑,并具有较小的地面支撑压力。四足机器人具有多自由度、多肢体的特点,能够主动调节身体高度、主动隔振确保稳定、及利用腿足操作物体,还具有静态稳定运动容错性。四足机器人的这些优势为其开拓了众多的应用场景,包括应急救援、家庭陪护、导盲助行、园区巡检、物流配送等应用领域。

图 1:国内外研究现状

        孙博士接着概括了四足机器人国内外研究现状,从驱动方式和能力侧重两方面分析了国际上典型的四足机器人平台的技术发展路径。国内方面,重点介绍了浙江大学、上海大学、山东大学所开发的电驱动四足机器人。进而重点解析了四足机器人领域的学术热点:人工智能控制和实时地形感知。并根据机器人与智能感知的不同交互频次引出了三个不同层次的智能表现形式:云端智能、本体规划、边缘控制。

        紧接着孙博士详细解析了目前已经成功实现产品化的四个典型的四足机器人平台,包括波士顿动力公司的Spot,MIT Mini Cheetah,宇树科技A1,和瑞士联邦工学院ANYmal。通过分析这些机器人的技术特点和发展历程,提出四足机器人平台的关键技术问题:关节驱动、负载能力、续航能力、智能控制、及实时感知。

        随后,孙博士详细介绍了AIRS麒麟机器人团队开发的高负载、低能耗的仿生四足机器人。

图 2: “麒麟”仿生四足机器人

        如图2所示,团队引入仿生设计思路来优化设计四足机器人整体结构。基于对中型犬解剖骨骼结构的仔细研究,合理设计每个部位的尺寸。采用模块化设计,优化每个关节的运动空间。机器人整体结构具备较高负载能力,同时大大提升了越障性能。在关节设计上采用大减速比谐波减速器,并通过底层伺服控制实现较好的力矩控制。从而在提升负载能力的同时降低了机器人自身的重量,最终实现了机器人较好的续航能力。

        孙博士团队结合复杂地形感知技术,提出了一种能够让四足机器人在通过崎岖3D地形时实现高能效的运动,如图3所示。

图 3:四足机器人3D环境感知与导航规划

        首先,通过基于正运动学分析推算出四足机器人四条腿的安全有效活动空间,对腿部髋正摆关节和膝关节进行力扭矩分析,构建单腿关节扭矩分布图,再搜寻出当满足运动学条件约束前提下的最省力腿部关节活动空间,最终构建出一种低耗能的站立姿态模型(图4)。

        其次,设计了由落脚点规划器和重心轨迹规划器组成的自主运动规划系统,用于引导四足机器人始终以低能耗姿态进行运动。

图 4:单腿关节力矩分析

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