作者:张双虎 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2022/1/19 17:18:20
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滑雪机器人:让人类和机器共享冰雪娱乐

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六足滑雪机器人    受访者供图

灵活避让障碍、身姿矫健通过旗门、人机交互并肩滑行……

和机器人一起滑雪,相信大多数人都没体验过。近日,由上海交通大学设计研发的六足滑雪机器人在沈阳完成初级道、中级道及与人共同滑雪实验,通过了稳定控制、智能感知、规划决策等多种测试。

这款滑雪机器人由上海交通大学教授高峰领衔,上海交通大学机械与动力工程学院和电子信息与电气工程学院组成的足式机器人研究团队研制,获得了科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项支持。

“测试中,滑雪机器人在400米长、坡度18度的中级雪道,以大于10米/秒的速度滑行,完成了竞速、转弯、规划路线、规避障碍以及人与机器人交互等试验。”高峰对《中国科学报》说,“除了身形灵活、姿势优美外,它能通过无线远程人机交互控制,在真实的滑雪环境中穿行人群,让大家体验和机器人一起滑雪的乐趣。”

这款滑雪机器人有六条腿,中间四条腿分两组,每两条腿固定在一个滑雪板上,用于控制滑雪板的位置和姿态,两侧的两条腿分别加装了滑雪杖,从而实现点杖功能。每个滑雪板具有五个自由度,通过控制滑雪板的位姿,可以实现速度控制、转弯和制动等功能。

“它能在雪场高速滑行,遇到障碍物还能急转弯,还能在滑行过程中完成高山滑雪运动中的‘过旗门任务,能实现良好的速度、方向控制,具有滑行、急停、避障、绕杆等功能。”高峰介绍说,“这证明它具备敏捷的转弯、制动能力和强大的自主感知、规划能力。”

滑雪对人的稳定性和灵活性要求极高,设计机器人并研发控制系统参与滑雪活动自然挑战不小。

为研发这款滑雪机器人,团队经过历经多次科研攻关,在机器人性能操控、感知规划等关键算法上取得了创新突破,自主完成了从机构设计、系统框架、稳定控制到智能感知、自主规划等一系列关键技术研发,最终使滑雪机器人集人机交互、环境感知、轨迹规划、智能决策和稳定控制于一体。

在机器人机构设计和驱动器设计制造方面,团队为机器人建立了“大脑”——智能系统。这个系统包括动态平衡稳定控制、智能感知和智能规划,通过设计智能和行为智能的有机融合,使得机器人能够分析人的滑雪行为数据,模仿人的滑雪动作,适应户外雪面的环境特性,实现了自主快速稳定地滑行。

测试中,研究团队分别以人工遥控和自主规划方式,在滑雪机上对机器人身高、身体俯仰角、重心前后左右位置、左右雪板夹角、左右腿高低进行控制,完成速度和转向测试。其中,人工遥控稳定转向滑行最高速可达3.2 米/秒;自主规划匀速直线滑行最高速可达5.17 米/秒,稳定转向滑行最高速可达2.45 米/秒。

正是这些关键技术的集合,使这款滑雪机器人通过无线远程人机交互控制,能在真实环境中实现在滑雪人群中穿行,自动完成各种动作而无需人为干预。

“冬奥会结束后,这款机器人还可以结合5G、无线网络等技术,通过远程控制,实现和人类同场竞技,创造电—机—竞的全新娱乐模式。”高峰说,“未来,机器人将成为冰雪运动的重要参与主体,在高山和冰雪环境中开展巡逻、救援等,而‘人机共融’的特点还将为未来竞技模式拓展提供无限可能。”

 
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