提醒：點(diǎn)上方↑↑↑“機(jī)械微學(xué)”關(guān)注后 腦洞大

　　6月1日，騰訊 AI Lab 及 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室主任張正友博士在機(jī)器人行業(yè)頂會(huì) ICRA 2021 做大會(huì)報(bào)告，分享了實(shí)驗(yàn)室在機(jī)器人移動(dòng)研究領(lǐng)域的布局與進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)室研發(fā)中的輪腿式機(jī)器人Ollie首次對(duì)外展示，在視頻中表現(xiàn)了雙輪平衡、多模態(tài)移動(dòng)、跳躍、360度空翻等運(yùn)動(dòng)能力。

　　輪腿式機(jī)器人（wheel-legged robot）兼具輪式優(yōu)勢和腿部能力，平地移動(dòng)快、效率高、噪音低，借助腿部能力則能完成適應(yīng)不平地面、跳躍通過臺(tái)階等動(dòng)作，越障能力強(qiáng)。視頻中，Ollie就像技巧高超的花滑高手，不僅能在多種地形上平穩(wěn)滑動(dòng)，還能靈活越障，秀出花式動(dòng)作。

　　相關(guān)研究論文被 ICRA 2021 收錄，介紹輪腿式機(jī)器人平衡控制器的設(shè)計(jì)思路與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。ICRA 全稱 IEEE International Conference on Robotics and Automation（國際機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議），是機(jī)器人領(lǐng)域最有影響力的國際學(xué)術(shù)會(huì)議之一。

　　跳躍空翻都很穩(wěn)

　　要讓機(jī)器人應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形，跳躍能力不可或缺。最低身高只有35厘米的Ollie，可以跳上40厘米的臺(tái)階，豎直起跳高度最高可達(dá)60厘米。

　　進(jìn)一步挑戰(zhàn)運(yùn)動(dòng)能力極限——空翻。Ollie 身體微傾，瞬間發(fā)力起跳，并舒展“尾巴“輔助翻轉(zhuǎn)，“尾巴”和身體在空中配合流暢順滑；隨著雙輪穩(wěn)穩(wěn)落地，Ollie 干脆利落地完成了高難度的空中翻轉(zhuǎn) 360 度動(dòng)作。

　　雙輪模式下，機(jī)器人與地面只有兩個(gè)接觸點(diǎn)，對(duì)平衡能力提出更大挑戰(zhàn)。在變換身高過不平整地面和面對(duì)外界干擾時(shí)，Ollie 都能完美保持平衡。

　　實(shí)驗(yàn)室還初步探索了 Ollie 的負(fù)載能力，實(shí)現(xiàn)在三輪穩(wěn)定模態(tài)下搭載機(jī)械臂，完成簡單操作任務(wù)。

　　集成并拓展實(shí)驗(yàn)室移動(dòng)技術(shù)

　　Ollie 在機(jī)械本體、整機(jī)系統(tǒng)與控制軟件上集成迭代了實(shí)驗(yàn)室技術(shù)積累，并重點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制上突破創(chuàng)新，新增的全身動(dòng)力學(xué)控制與整機(jī)參數(shù)辨識(shí)提升了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)度、靈活度以及柔順性，拓展了實(shí)驗(yàn)室的移動(dòng)技術(shù)布局。

　　Ollie的機(jī)械設(shè)計(jì)大有玄機(jī)：單腿采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，與身體形成五連桿結(jié)構(gòu)，使整體具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能高、爆發(fā)力強(qiáng)的特點(diǎn)；“尾巴”的獨(dú)特設(shè)計(jì)一方面為Ollie提供額外角動(dòng)量，助其完成更高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，如空翻。同時(shí)“尾巴”可充當(dāng)?shù)谌龡l腿，增加穩(wěn)定性，為搭載機(jī)械臂完成更多任務(wù)提供可能。

　　非線性控制技術(shù)讓機(jī)器人具備良好的平衡能力，此前實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的自平衡自行車已應(yīng)用同類技術(shù)，在靜止及行進(jìn)狀態(tài)下均保持平衡不倒。針對(duì)輪腿式機(jī)器人的形態(tài)和特點(diǎn)，適應(yīng)性地應(yīng)用非線性控制方法，控制器不再受限于模型的可線性化區(qū)間內(nèi)，使機(jī)器人 Ollie 在大角度傾斜時(shí)也具有良好的平衡能力和魯棒性。

　　全身動(dòng)力學(xué)控制則讓 Ollie 實(shí)現(xiàn)更具挑戰(zhàn)的運(yùn)動(dòng)，如在空翻落地和抗打擊時(shí)，面對(duì)突如其來的巨大沖擊，Ollie 能“以柔克剛”。這套控制技術(shù)基于機(jī)器人全身動(dòng)力學(xué)，采用最優(yōu)化方法求得全身各關(guān)節(jié)力矩，通過電機(jī)的力矩控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全身姿態(tài)控制，提升抗外界干擾的能力。

　　Ollie 能夠完成跳躍和空翻，得益于其出色的軌跡規(guī)劃能力。在完成這些動(dòng)作時(shí)，Ollie 提前“想好”運(yùn)動(dòng)軌跡，即如何應(yīng)用自身的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最大程度地發(fā)揮關(guān)節(jié)電機(jī)性能來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。Ollie 以全身動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，將整個(gè)跳躍或空翻過程分解為起跳、飛行、落地三個(gè)階段，通過優(yōu)化手段得到完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)電機(jī)位置、速度和關(guān)節(jié)力矩的參考值序列，再結(jié)合全身動(dòng)力學(xué)控制完成了一系列高動(dòng)態(tài)動(dòng)作。

　　目前 Ollie 還處于研發(fā)階段，實(shí)驗(yàn)室將基于輪腿式機(jī)器人平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性特點(diǎn)，拓展平臺(tái)上感知、負(fù)載等各功能模塊搭建，讓機(jī)器人具備更成熟、更豐富的能力，走進(jìn)更多生活場景。