973计划首席科学家高峰：六足腿式机器人的探月优势 | CCF-GAIR 2020

2020 年 8 月 13 日
AI

8月7日-8月9日，2020年全球人工智能和机器人峰会（简称“CCF-GAIR 2020”）在深圳如期举办！CCF-GAIR由中国计算机学会（CCF）主办，香港中文大学（深圳）、雷锋网联合承办，鹏城实验室、深圳市人工智能与机器人研究院协办，以“AI新基建产业新机遇”为大会主题，致力打造国内人工智能和机器人领域规模最大、规格最高、跨界最广的学术、工业和投资领域盛会。

8月8日上午，在「机器人前沿专场」上，上海交通大学讲席教授高峰进行了题为「探月足式飞跃机器人设计与控制」的演讲。

高峰教授是国家973计划首席科学家、“国家杰出青年基金”获得者。高峰教授的团队在机器人设计上取得了丰硕的果实，团队研制出了六足章鱼机器人、染色体微操作机器人、巨型重载锻造操作机器人等多项国家重点项目的成果。

在演讲中，高峰教授介绍了团队在月球空间站机器人方面的进展。他介绍了腿式着陆行走机器人的设计方法和实验成果，并强调了六足腿式机器人的优点。

以下是高峰教授在大会的演讲实录，AI 科技评论进行了不修改原意的整理和编辑：

机器人智能和计算机智能有很大的区别，机器人智能是行为智能，行为智能体现在肢体和智慧的结合。实现行为智能是非常复杂的问题，机器人理解环境、理解任务怎么执行，但是要据此表达行为就非常困难。

具体来说，要实现机器人的行为智能，就是机器人通过视觉、力觉等外部感知系统理解环境和任务，通过控制自身部件的位置、速度、加速度执行任务。

很多国家比如美国计划在月球建空间站，在月球空间站上，机器人是先锋。我国在探月机器人上做了很多探索，我们也参与其中，在这里介绍一下相关工作。

原来的探月机器人一般带有一个着陆器，着陆器上放一个月球车。这样的探月机器人实际上只能着陆一次，月球车只在着陆器周边做探测工作。我们希望研发出能在月球反复起飞和着陆的探月机器人。着陆器的作用主要是通过被动缓冲吸收能量。下图展示了多个国家的着陆器设计。

机器人着陆后，还要在星球上探索，即要设计巡视器。传统采用轮式设计，最近我国探测火星的巡视器也是采用轮式设计。轮式设计会用很多电机，每个轮子上有悬挂系统，是很复杂的系统。我认为轮式设计对于外星球探索不是很好的选择，因为外星球没有人工建成的路。

我们尝试了腿式着陆行走器的设计方案，优点是可以进行多次着陆和主动缓冲，此外还有移动功能、收拢功能，腿式设计能实现着陆姿态的灵活调整，以及适应复杂地形，这是一个复杂的机器人系统。

探月足式机器人设计

机器腿的设计涉及非常多的内容，比如整体结构、关节、电机、重量、布线、缓冲、力觉、仿真、环境等因素，要做大量的实验和理论分析。重点是三个方面，即机构与传动、感知与驱动、规划与控制。

接下来我介绍一下探月足式机器人设计的三个重要部件：6维力与力矩传感器、“力-控”复合驱动单元和飞跃器腿部机构

1、6维力与力矩传感器

这是机器人设计中很关键的部件。在6维力与力矩传感器中，装有陀螺加速器，可以辩识被测对象的惯性力和重力。

我们采用了特殊的并联结构，使传感器具有很好的解耦性。利用这种传感器可以设计出各式各样的产品，包括人体用设备和大型机械设备，还可以做六维鼠标，这在虚拟现实技术中可以发挥重要作用。

2、“力-控”复合驱动单元

“力-控”复合驱动单元里面装有力矩、减速机、编码器、制动器，力矩传感器使它有很好的力矩感知，可以用来做机器人的手臂和腿。

3、飞跃器腿部机构

我们希望利用一种机构把三个电机都放在髋关节上，这种机构通过简单的并串联机构实现。将所有驱动布局在身体内有助于外太空环境中的防护，并减轻腿部惯量。驱动关节是水平布置的，工作空间大，可以保证实现收展。

4、动力学参数设计

我们根据动力学模型建立机器腿的优化结构刚度的优化参数，把优化的目标和约束条件写进去，最后得到腿的最优尺寸、惯量、刚度等。为了缓冲的时候吸收能量，还需要加弹簧，弹簧加大以后会导致行走困难，所以弹簧的刚度匹配也是要优化的参数。最后，我们设计出了两款足式机器人，如下图所示，上面是四足机器人，下面是六足机器人。