针对四大需求特性推动足式机器人技术攻关.pdf

2023 年第 4 期 9针对四大需求特性推动足式机器人技术攻关足式机器人是一种典型的地面无人系统，涉及机器人本体控制、驱动、感知、人工智能等多学科领域。作为智能机器人的典型代表，较传统轮履式移动平台在复杂地形适应能力上具有显著优势，正逐渐走入各领域并实现有效应用。足式机器人的发展方向自 2019 年开始，四足机器人逐渐受到学术领域顶刊的关注。2020 年 9 月，美国针对四大需求特性推动足式机器人技术攻关四足机器人是近几年国内外机器人领域的研究热点，尽管我国四足机器人的研究起步较晚，但目前已涌现出多款可比肩国外的四足机器人产品。在 2023“机器人+”大会上，中兵智能创新研究院仿生机器人技术部主任江磊阐述了足式机器人的关键技术及其在应急行业的应用，并分享了机器人未来应用的思考。他指出，要针对应用场景加速开展技术攻关。文/江磊图 1 中兵智能创新研究院仿生机器人技术部主任 江磊计算机社区联盟（Computing Community Consortium，CCC）发布第四版机器人路线图：从互联网到机器人，更新了 8项机器人共性技术，重点将“足式机器人”列入技术路线图，提出足式机器人是研究重点、难点、新点。由此可见，从互联网时代过渡到机器人时代，足式机器人发展潜力巨大。四足机器人经历了从“技术”到“应用”的发展历程，大致可以分为四个时期。2010 年至 2016 年，更多关注模型测试和样机验证。2016 年到 2019 年，将机器人置于野外的条件下，关注更优控制方式的研发和攻关。2019 年到 2022 年，重视机器人如何在具体领域发挥作用，如安全应急领域等；2021 年，四足机器人进入产业化阶段；2022 年，ChatGPT 诞生，强人工智能给机器人带来颠覆性影响，足式机器人的软硬件都要向着更智能的方向迭代，以期实现更好的应用。足式机器人的关键技术足式机器人要实现复杂的控制，主要依靠五项技术。一是复杂越野路面机动控制技术。基于弹簧负载倒立摆的理论模型，采用力分配优化与力反馈控制方法，融合本体多传感器的反应式行为机制，实现机器人在草地、泥泞等多种越野路面的稳定行走，并可抵抗刚性路面、软质路面、外力推搡的扰动。二是融合感知的行为重规划技术。针对局部障碍物进行安全检测，并基于障碍物信息重规划落足点与摆动轨迹，设计跨越障碍物行为控制器，实现机器人动态跨越台阶与壕沟，对于凸台、凹坑等不规则障碍物，以及楼梯等地形同样适用。三是步态自学习生成与控制技术。在仿真环境中进行训练试错，通过设置速度、姿态等奖惩函数，训练出机器人能够站立、行走的步态，并通过施加随机干扰等方法向机器人实物样机迁移，机器人的步态方式多样，同时具有演进发育能力。ChatGPT 是否可以接入机器人，大模型能否控制机器人，也是机器人未来的重点研究方向之一。四是高速机动规划与控制技术。通过步态参数表征化，基于机器人多步态能量变化规律，规划机器人作用力，输入稳定控制器实现多步态稳定行走。融合动力学、优化控制模型提升步态稳定性。另外，要实现至少 6 公里/小时 7 公里/小时的小跑速度，高速达到 15 公里/小时的奔跑速度，机器人的敏捷性也是要攻克的难题之一。五是复杂行为规划与控制技术。基于非线性动力学的轨迹优化，离线生成在非线性动力学、非线性约束条件下的机体状态轨迹，融合动力学、优化控制模型提升步态稳定性，输入至 MPC 在线跟踪器，有效提升机器人在欠驱动条件下的运动性能，融合动力学、优化控制模型提升步态稳定性。诸如梅花桩、上楼梯、下楼梯等，由于可选择路径很多，因此这些行为都需要让机器人在短时间内，通过综合之前的所10 机器人产业|ROBOT INDUSTRYFrontieR前沿 2023 年第 4 期 11针对四大需求特性推动足式机器人技术攻关有行为做出下一步行动计划，这也是研发热点之一。除了“大脑”，足式机器人还要有“肌肉”，即除了关键技术，还要有核心部组件控制器。未来，足式机器人将拥有更高的自由度，需要通过研制电驱动关节、电池、感知头、机械臂等核心部组件，提升机器人的硬件性能。中兵智能团队研究机器人至今已 20年，通过从大自然中汲取灵感，研发出仿生猎豹、机械警犬、仿生大狗等多款经典的四足机器人原理性样机，当前正在研制的 Panda5 四足仿生机器人已经开始在行业中应用。足式机器人的应用思考在应急领域，机器狗助力巡堤查验、防汛抢险。传统的人工巡堤需要工作人员手到、脚到、眼到、耳到，借助基于仿生机器狗的堤防险情巡查成套技术装备，可以让巡堤工作更高效、更安全。此外，足式机器人在消防应急领域同样发挥着不可小觑的作用。机器狗要做的不是在发生火灾后冲进火场，而是基于足式机动行走、动态路径规划、自动仪表读取、灭火弹险情处置，实现 24 小时不间断巡检、测温，一旦发现问题，在 30 秒内使用水袋控制事故。在实际应用中，往往会遇到技术研发阶段难以预测的问题。因此足式机器人的研发，要针对应用场景加速开展技术攻关。针对生存能力强、防护要求高、载荷种类多、智能水平高等四大需求特性，加速开展高性能电机伺服驱动器、高安全性防爆动力电池、多样化侦查巡检载荷、智能识别算法、行为控制算法等技术攻关。同时，面向未来应急需求，开展人形机器人技术研究，牵引和应用单体智能基础理论与技术，实现可学习的类人行为、可演进的认知决策和基于意图理解的人机协作能力。在线阅读（节选）