8月7日-8月9日，2020年全球人工智能和機器人峰會（簡稱“CCF-GAIR 2020”）在深圳如期舉辦！CCF-GAIR由中國計算機學會（CCF）主辦，香港中文大學（深圳）、雷鋒網聯合承辦，鵬城實驗室、深圳市人工智能與機器人研究院協辦，以“AI新基建 產業新機遇”為大會主題，致力打造國內人工智能和機器人領域規模最大、規格最高、跨界最廣的學術、工業和投資領域盛會。

8月8日上午，在「機器人前沿專場」上，上海交通大學講席教授高峰進行了題為「探月足式飛躍機器人設計與控制」的演講。

高峰教授是國家973計劃首席科學家、“國家杰出青年基金”獲得者。高峰教授的團隊在機器人設計上取得了豐碩的果實，團隊研制出了六足章魚機器人、染色體微操作機器人、巨型重載鍛造操作機器人等多項國家重點項目的成果。

在演講中，高峰教授介紹了團隊在月球空間站機器人方面的進展。他介紹了腿式著陸行走機器人的設計方法和實驗成果，并強調了六足腿式機器人的優點。

以下是高峰教授在大會的演講實錄，AI 科技評論進行了不修改原意的整理和編輯：

機器人智能和計算機智能有很大的區別，機器人智能是行為智能，行為智能體現在肢體和智慧的結合。實現行為智能是非常復雜的問題，機器人理解環境、理解任務怎么執行，但是要據此表達行為就非常困難。

具體來說，要實現機器人的行為智能，就是機器人通過視覺、力覺等外部感知系統理解環境和任務，通過控制自身部件的位置、速度、加速度執行任務。

很多國家比如美國計劃在月球建空間站，在月球空間站上，機器人是先鋒。我國在探月機器人上做了很多探索，我們也參與其中，在這里介紹一下相關工作。

原來的探月機器人一般帶有一個著陸器，著陸器上放一個月球車。這樣的探月機器人實際上只能著陸一次，月球車只在著陸器周邊做探測工作。我們希望研發出能在月球反復起飛和著陸的探月機器人。著陸器的作用主要是通過被動緩沖吸收能量。下圖展示了多個國家的著陸器設計。

機器人著陸后，還要在星球上探索，即要設計巡視器。傳統采用輪式設計，最近我國探測火星的巡視器也是采用輪式設計。輪式設計會用很多電機，每個輪子上有懸掛系統，是很復雜的系統。我認為輪式設計對于外星球探索不是很好的選擇，因為外星球沒有人工建成的路。

   

我們嘗試了腿式著陸行走器的設計方案，優點是可以進行多次著陸和主動緩沖，此外還有移動功能、收攏功能，腿式設計能實現著陸姿態的靈活調整，以及適應復雜地形，這是一個復雜的機器人系統。

探月足式機器人設計

機器腿的設計涉及非常多的內容，比如整體結構、關節、電機、重量、布線、緩沖、力覺、仿真、環境等因素，要做大量的實驗和理論分析。重點是三個方面，即機構與傳動、感知與驅動、規劃與控制。

接下來我介紹一下探月足式機器人設計的三個重要部件：6維力與力矩傳感器、“力-控”復合驅動單元和飛躍器腿部機構

1、6維力與力矩傳感器

這是機器人設計中很關鍵的部件。在6維力與力矩傳感器中，裝有陀螺加速器，可以辯識被測對象的慣性力和重力。

 

我們采用了特殊的并聯結構，使傳感器具有很好的解耦性。利用這種傳感器可以設計出各式各樣的產品，包括人體用設備和大型機械設備，還可以做六維鼠標，這在虛擬現實技術中可以發揮重要作用。

2、“力-控”復合驅動單元

“力-控”復合驅動單元里面裝有力矩、減速機、編碼器、制動器，力矩傳感器使它有很好的力矩感知，可以用來做機器人的手臂和腿。

3、飛躍器腿部機構

我們希望利用一種機構把三個電機都放在髖關節上，這種機構通過簡單的并串聯機構實現。將所有驅動布局在身體內有助于外太空環境中的防護，并減輕腿部慣量。驅動關節是水平布置的，工作空間大，可以保證實現收展。

4、動力學參數設計

我們根據動力學模型建立機器腿的優化結構剛度的優化參數，把優化的目標和約束條件寫進去，最后得到腿的最優尺寸、慣量、剛度等。為了緩沖的時候吸收能量，還需要加彈簧，彈簧加大以后會導致行走困難，所以彈簧的剛度匹配也是要優化的參數。最后，我們設計出了兩款足式機器人，如下圖所示，上面是四足機器人，下面是六足機器人。

探月足式機器人控制

機器人著陸時，可以通過視覺了解底下的環境，一旦確定環境后，就在2米多高處關掉發動機，機器人通過自由落體降落。月球的重力是地球的1/6，但是這也不算小，機器人著陸時會有很大的沖擊力。

我們要讓機器人實現平衡著陸，機器腿一開始做低剛度控制，以適應緩沖，著陸時間很短，整個系統每毫秒要控制一次。

機器人控制里面有一個非常核心的問題，即辨識接觸剛度，這是機器人力覺智能的核心。下圖是示意圖，可以測出總的系統剛度，減去機器人的剛度和阻尼，才能知道最后的接觸剛度。

在控制實驗中，我們把機器人從2米多高的地方扔下去，看它能不能著陸。

探月足式機器人實驗

我們需要做實驗以確定機器人腿部的力如何分配，無論是四足機器人還是六足機器人，除了垂直下落以外，還要考慮水平速度、地形、地面剛度的影響。

六足機器人的著陸容錯性比較高，最多壞了三條腿后還能夠成功著陸，不過壞掉的三條腿必須是均勻間隔的三條。

下圖展示了著陸以后機器人行走的實驗，我們通過模擬月球重力環境，搭建了月球重力模型測試臺。通過配重，我們使機器人實際受到的重力與在月球上相同。

六足機器人的優點

六足機器人有很多優點，比如形態豐富，有圓周腿形、仿昆蟲腿形、仿螃蟹腿形等等，不同腿形有不同優點。

還有，六足機器人可以手腳通用。機器人作業一般都需要有手臂的功能，六足機器人可以把腿翻上去當手用，同時能保持支撐和行走能力。

此外，六足機器人還可以執行上下樓梯、開關房門、搜索爆物、觀察環境、剪斷導線、拆卸炸彈、取放物品等任務。

最后，六足機器人可以實現三足支撐，同時使重心穩定，不需要進行動態控制，只需要靜態控制。在行走方面，相比履帶，六足機器人可以在不連續的地面上行走。雷鋒網雷鋒網雷鋒網

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