在过去数十年来的科技发展中,行业内机器人技术的进步更多的是体现在机器人的运动性能方面,其中你不得不佩服波士顿动力机器人的极致运动控制性能,但是你要让机器人陪你一起聊天、逛街,显然机器人都还做不到;虽然如今人形机器人的外形和人类相似度越来越高,但是跟人类自身的能力比起来,差距可谓云泥之别;然而,回到我国的机器人发展现状,由于起步相对较晚,加上国外相关技术的封锁,在综合性能方面与国外机器人相比较,自然存在着较大的看得到、摸得着的差距;目前波士顿动力的机器人已经具备后空翻、空中跳跃等跑酷动作,而国内的很多机器人却还处在蹒跚学步的阶段,或许一种新型轮腿混合式变结构机器人的设计,会是我国机器人发展的新契机,下面我们就一起来看看近年来机器人研究前沿领域中的轮腿式机器人吧。
轮腿式机器人,这种机器人综合了轮式机器人和腿式机器人的优点,并结合可变宽变窄的车身,使其能更好地适应复杂的环境;同时,轮腿式机器人是一种通过轮腿结构对机器人主体进行运动控制的机器人结构,由于轮腿式机器人是不稳定的欠驱动系统,因此普遍存在着平衡控制的问题,在目标动作较为复杂的情况下,例如跳跃、空翻、跨步行走等,轮腿式机器人偏离平衡点的距离较大,一旦超出了线性化的可控范围,即无法实现对轮腿式机器人的平衡控制,因此如何对轮腿式机器人执行复杂动作任务的过程实现稳定且柔顺的控制,就是摆在工业设计师面前需要解决的难题;如今由腾讯旗下Robotics X实验室最近发布的轮腿式机器人Ollie,不仅可以在多种地形上平稳滑动、后空翻、单腿跳,甚至还可以结合自身的配重,轻松完成360度空翻动作。
轮腿式机器人Ollie在设计上大有玄机,其单腿采用并联机构,与身体形成五连杆结构,使整体具有结构简单、动态性能高、爆发力强的特点;另外其“尾巴”的独特设计一方面为Ollie提供额外角动量,助其完成更高动态运动,如空翻等,同时其“尾巴”还可以充当第三条腿,增加稳定性,为搭载机械臂完成更多任务提供可能;而且Ollie还具备高精度壁障和抗碰撞能力,以及不可或缺的跳跃能力,最低身高只有35厘米的Ollie,可以跳上40厘米的台阶,竖直起跳高度最高可达60厘米;而且在外力干扰的条件下,Ollie比想象中的还要稳定一点,简直就像是一个“不倒翁”,这些高难度动作的完成以及超强的平衡力,都源于腾讯Robotics X实验室的最新研究进展,就是非线性控制技术、全身动力学控制和轨迹规划。
正如人类在与环境的互动中需要五种基本感官:视觉、触觉、听觉、嗅觉和味觉共同发挥作用,与此同时机器人也一样,机器人要想拥有更高的感知世界并与之互动的能力,仅仅提高视觉与听觉水平是不够的,其触觉水平的提高也同样重要,因为,高性能的触觉传感器还可以帮助机器人为人类提供包括物体形状、重量、刚度等在内的一些关键信息;所以工业设计师们为Ollie加入新型触觉传感器后,Ollie可以用自己的“皮肤”来感受外界的接触信息,包括对触碰方式、触碰力度、触碰方位、触碰轨迹形状的感知和识别,并以不同方式作出回应;Ollie利用新型触觉传感器感知球的相对位置与运动状态,并实时处理数据,控制自身在不同地形上实现平衡稳定行驶的基础上,还能保持“头”上的球不掉落,实现了上身物体操控能力和下身移动平衡能力的完美结合。
最后,Ollie值得一提的是,最新的Ollie还展示了双轮迈步动作,与去年展示的“原地踏步”动作相比,新增同时踏步和移动的能力,而且持续时间更长、动作更流畅、整体表现更稳定;由于,双轮迈步动作的完成依赖于动作生成技术,这就需要将机器人的动作划分为单轮支撑阶段和双轮支撑阶段,因此,在单轮支撑阶段,机器人以轮式迈步的方式通过地面或跨越障碍物,存在单个轮子着地,类似“单轮站立”的状态;而此时,机器人既要利用支撑的轮腿控制行驶转向,又要保持俯仰和横滚方向的动态平衡,因此Ollie能做出双轮迈步动作,实属不易;相信轮腿式机器人随着研究不断深入,轮腿式机器人不出几年将会尝试投入到商业领域中,其相关技术,例如碰撞感知、触碰轨迹形状的感知和识别之类的功能,可以运用在更多领域中帮助人类探索和发现。