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【WRC 大咖观点】高峰《冰雪运动机器人冬奥之旅》

时间: 2022-09-28

编者按:

2022世界机器人大会主论坛群星璀璨,产、学、研各领域大咖齐聚首,共话巅峰,为机器人未来发展领航。

峰会现场,上海交通大学教授高峰发表了题为《冰雪运动机器人冬奥之旅》的演讲。以下为高峰演讲内容的整理。

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我的报告主要是冰雪运动六足机器人在冬奥会之旅,获得了科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项支持。主要是两个部分内容,六足冰壶机器人和滑雪机器人。

立项初期,我们开发了四种类型六足机器人,有仿昆虫、仿蜘蛛、仿螃蟹、仿章鱼,由于有些技术,而且是六足机器人。国家为了体现机器人技术在冬奥会中展现出来,所以量身定制确定了六足机器人项目。

首先介绍一下冰壶机器人。我们是模仿人打冰壶的动作。冰壶机器人设计里很重要基础工具是力控复合驱动关节,每一个关节都有三个电机,三个电机复合既要体积小也要浓厚密度高,要把力矩传感器、监测器、电机、编码器、驱动器所有工具集成在一个零件上,这个零件集成度非常高而且难度很大,这是我们核心技术,有了这个件可以做1.2—1.5公斤驱动单元,有了单元装在机器人腿上,能够实现对腿的力控和感知。冰壶运动有个非常重要特点,冰壶在平面上运动,平面运动有三个自由度,前后移动、旋转,前后移动还有一个角度。我们把冰壶运动转化成机构,一个杆上的铰链就是冰壶旋转,这样描述冰壶运动,这样可以描述轨迹。有了运动关键问题是受力,平衡在平面受力,每一点摩擦力跟运动方向相反,如果前面这一点速度方向在前面,力的方向在后面,跟速度方向相反,这是非常重要的,我们主要是求出倾向速度和镜像速度比值,求出这个比值可以求出摩擦力,用牛顿定律测出动力学方程和冰壶运动。有一个很重要问题,冰壶怎么打?什么情况下能打?我们这里提出了新概念,我们叫冰壶击打正解树和域。有了冰壶理论,主要问题是打冰壶有多少任务,我们叫做任务链和机器人行为链一一对应设计出来,根据感知、过程得到所有运动形式以及控制模式,这是多任务情况下行为链如何建立。

现在讲一下滑雪机器人,滑雪机器人有单板和双板两种,两个技术截然不同,单板有很多滑雪形式,双板也有很多,机器人也都要有这种功能。单板六足机器人如果不测力你不知道怎么控制身体惯性力和重力,所以很容易翻。现在有六足传感器可以实时监控自己身体的重力和作用力,用全身力控的来实现,有了力控制方式可以在实验室里做,板面向胁迫滑动可以控制速度,可以前后走。双板六足滑雪机器人两个脚放在一个板上,有个问题,机构怎么设计?板自由度到底多少,这是虎克铰,这是球铰,控制这个板,绕前后铰链柔线转动,所以这板往往是五自由度的五维运动,三个移动两个转动,这是板的特点,这是机构设计,机构决定了机器人的性能。有了机构设计,跟冰壶一样,要把运动形式说清,犁式、半犁式、平行式,每一个要做什么动作,制动怎么做,移动怎么走,在平行面怎么走,每个动作都要训练出来你才能去滑雪。有了这个以后,首先可以在实验室里控制它。我们做的实验挺成功的。大家可以看雪杖作用,它没有人那么灵活但也可以转换流畅,可以看出机器人有视觉和激光可以避障,可以用GPS定位实现人工智能的控制,这个跟无人驾驶车技术完全一样,你都可以用。

滑雪是非常精彩的一个项目,机器人在雪场上滑雪这个水平国际从来没有出现,机器人没有在滑雪场有这种流畅控制。这是在避障,这个机器人是穿越旗门控制方法,穿过去按照指定轨迹做控制。可以看出某些运动能力不亚于人,因为机器人胆子很大;第二是滑行技术水平很高。在网站上大家只要一搜滑雪六足机器人和冰壶六足机器人都有,这是制动方式,很快速的制动,大家可以看出来机器人在滑雪未来有很大用武之地。

机器人在报道以后,在全世界得到了很多好的反响。4月27日,《科学杂志》机器人子刊刊登了这篇文章,这篇文章介绍了北京冬奥会机器人,重点和沈阳自动化起火炬接力、冰壶、滑雪等等机器人。

—— 高峰

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