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| 本文作者： 嘉嘉 | 2022-09-09 14:54 |
9月9日，騰訊 Robotics X 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室公布旗下輪腿式機(jī)器人Ollie最新研究進(jìn)展，展示了首次曝光的“觸覺交互”以及獨(dú)家的“雙輪邁步”，進(jìn)一步豐富機(jī)器人“感官”、提升其運(yùn)動(dòng)控制能力，展示了騰訊在機(jī)器人前沿技術(shù)上的領(lǐng)先布局與持續(xù)探索。
Ollie是騰訊自研的輪腿式機(jī)器人，也是騰訊Robotics X 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室繼機(jī)器狗 Jamoca 和 Max 之后的又一創(chuàng)新探索，它整合了多項(xiàng)領(lǐng)先的移動(dòng)控制技術(shù)，在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、平衡與穩(wěn)定性、人機(jī)交互等領(lǐng)域做出了重點(diǎn)突破。憑借靈活的身姿，Ollie也被稱為“輪滑小子”。
本次升級(jí)中新增的觸覺傳感器，使得Ollie 擁有了“感知接觸的能力”，可以對(duì)觸摸動(dòng)作給出回應(yīng)，并挑戰(zhàn)頭部平衡球形物體等高難度任務(wù)。同時(shí)，通過運(yùn)動(dòng)控制與動(dòng)作生成算法的升級(jí)，Ollie可以持續(xù)穩(wěn)定地完成不同步頻的雙輪邁步動(dòng)作，整體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和靈活度進(jìn)一步提升。
感知與認(rèn)知技術(shù)是機(jī)器人得以安全、高效、自主運(yùn)行的基礎(chǔ)。近年來，計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域發(fā)展迅速，取得了不少可以媲美甚至超越人類的成果。與此同時(shí)，觸覺感知技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，一定程度上制約了機(jī)器人能力的擴(kuò)展。如何在人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)控制和靈巧操作等場景中讓機(jī)器人具備接近人類水平的觸覺能力，成為近年的研究熱點(diǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
騰訊Robotics X機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室將觸覺傳感器與輪腿式機(jī)器人Ollie進(jìn)行了創(chuàng)新性結(jié)合。該傳感器由騰訊Robotics X 實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，采用具有超高靈敏度、超大量程、超快響應(yīng)速度以及超強(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性的新型壓阻材料，結(jié)合定制化的電極適配模塊和高速信號(hào)采集模塊，加入自研的軟硬件一體化解決方案，讓機(jī)器人可以感知身體表面極其細(xì)微的壓力變化。相關(guān)研究成果已經(jīng)被納米科技領(lǐng)域的國際頂級(jí)期刊ACS NANO接收。
加入新型觸覺傳感器后，Ollie可以用自己的“皮膚”來感受外界的接觸信息，包括對(duì)觸碰方式、觸碰力度、觸碰方位、觸碰軌跡形狀的感知和識(shí)別，并以不同方式作出回應(yīng)。
有了觸覺的支持，結(jié)合穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)能力，Ollie 還可以挑戰(zhàn)高難度的頭部平衡、搬運(yùn)球形物體的任務(wù)，充分利用球體與機(jī)器人表面的接觸信息，結(jié)合自身姿態(tài)傳感器和關(guān)節(jié)電機(jī)編碼器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了上身物體操控能力和下身移動(dòng)平衡能力的完美結(jié)合。
在用移動(dòng)機(jī)器人完成搬運(yùn)任務(wù)時(shí)，一般會(huì)選擇擁有穩(wěn)定接觸面的搬運(yùn)對(duì)象，如紙箱等方形物體；如果要用平面“頭部”搬運(yùn)易滾動(dòng)滑落的球形物體，對(duì)機(jī)器人就要困難得多。Ollie 利用新型觸覺傳感器感知球的相對(duì)位置與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，控制自身在不同地形上實(shí)現(xiàn)平衡穩(wěn)定行駛的基礎(chǔ)上，還能保持球不掉落。其背后的領(lǐng)先性技術(shù)，為移動(dòng)機(jī)器人提升復(fù)雜場景下的自身移動(dòng)與物品操控能力打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
值得一提的是，最新的Ollie還展示了雙輪邁步動(dòng)作，與去年展示的“原地踏步”動(dòng)作相比，新增同時(shí)踏步和移動(dòng)的能力，而且持續(xù)時(shí)間更長、動(dòng)作更流暢、整體表現(xiàn)更穩(wěn)定。
雙輪邁步動(dòng)作的完成依賴于動(dòng)作生成技術(shù)。這需要將機(jī)器人的動(dòng)作劃分為單輪支撐階段和雙輪支撐階段。在單輪支撐階段，機(jī)器人以輪式邁步的方式通過地面或跨越障礙物，存在單個(gè)輪子著地，類似“單輪站立”的狀態(tài)。此時(shí)，機(jī)器人既要利用支撐的輪腿控制行駛轉(zhuǎn)向，又要保持俯仰和橫滾方向的動(dòng)態(tài)平衡。面對(duì)這一情況，研究團(tuán)隊(duì)建立了簡化動(dòng)力學(xué)模型，并依據(jù)該模型，使用非線性優(yōu)化方法，完成動(dòng)作生成與控制。
雙輪支撐階段在邁步動(dòng)作中是一個(gè)瞬時(shí)的切換狀態(tài)，雖然時(shí)間很短，但難度很高。在這一階段，機(jī)器人的兩個(gè)輪子與地面間存在相對(duì)滑動(dòng)。這使得機(jī)器人的接觸力和動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜。因此，研究團(tuán)隊(duì)采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，將強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法用于該動(dòng)作中關(guān)節(jié)角序列的生成，并將生成的關(guān)節(jié)角序列用于機(jī)器人動(dòng)作與姿態(tài)控制。
Ollie 出色的平衡能力主要基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃平衡控制技術(shù)，這是騰訊Robotics X機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)研究方向之一，相關(guān)論文已在行業(yè)內(nèi)知名期刊IEEE Robotics and Automation Letters上發(fā)表，并在機(jī)器人領(lǐng)域國際頂級(jí)會(huì)議IEEE/RSJ IROS 2021上展示。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃與全身動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人更廣泛的地形適應(yīng)性，相關(guān)論文已被IEEE/RSJ IROS 2022錄用。
輪腿式機(jī)器人是近年來機(jī)器人研究的前沿領(lǐng)域。Ollie兼具輪式結(jié)構(gòu)和腿部能力，輪式結(jié)構(gòu)移動(dòng)快、效率高，而腿部能力讓Ollie適應(yīng)不平地面、完成跳躍臺(tái)階等動(dòng)作。如今，加上觸覺和更為高階的“雙輪邁步”，Ollie的能力不斷豐富。
未來，Ollie將會(huì)繼續(xù)作為騰訊Robotics X機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的前沿技術(shù)探索的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，承擔(dān)從機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成到廣泛感知以及控制規(guī)劃算法等諸多領(lǐng)域的研究任務(wù)，完成全棧技術(shù)能力的積累。
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