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超级厉害的仿生机器人都用了啥”秘密武器“?

作者:www.cechina.cn2022.05.20阅读 1879

       仿生机器人有多热门?
  近几年ICRA、IROS、ROBOMECH、T-RO、T-MRB等顶会、顶刊的科研成果可以说明这一点。
  兼多职的波士顿动力打工狗、和特斯拉飙车的ANYMAL四足机器人、栩栩如生的普渡大学蜂鸟机器人,可用于救灾的伍斯特理工蛇形机器人……国外仿生机器人研究屡见不鲜。
  国内有像鸟一样穿过树林的浙大无人机、打卡地球最深海沟的仿狮子鱼机器人、哈工大仿象鼻柔性机器人、可用于海洋生物探测的北航?鱼机器人……这些响当当的存在,都曾登上顶刊封面,为大家喜闻乐见。
  纵观仿生机器人发展史,从早期对生物外形的模仿,到行动的模仿,再到如今利用传感器和数据融合技术来对环境的变化做出正确的判断和反应,从而适应环境的变化CONTROL ENGINEERING China版权所有,正一步步朝着智能化的方向发展。
  那么仿生机器人是如何学习动物的运动特性、输出数据验证其性能以及获得位姿数据反馈的呢?

   国外前沿科技成果及动捕作用
  一种简单且有效的方式,就是采用动作捕捉方案。
  让我们先从国外各大顶尖高校的案例中,来看看动作捕捉都是如何被运用的。
  先看近几年很常见的仿生多足机器人,2021ICRA会议现场控制工程网版权所有,各家腿足式机器人齐聚亮相,好不热闹。
  苏黎世联邦理工
  苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种用于星际探索的跳跃四足机器人spacebok。这个机器人可以像跳羚一样四足腾空跳跃。研究人员还开发了一种新的方法控制该机器人,可以仅使用四肢实现精确的跳跃和着陆。
  在实际使用中,机器人会利用机载传感器获取数据。由于这个实验主要关注机器人的运动控制,所以使用了光学动作捕捉系统跟踪机器人,获取机器人的高精度的位置、姿态、速度数据,用于状态估计,相当于简化了实验流程。
  扑翼机器人也是仿生机器人领域一类重要方向。
  仿生扑翼飞行器集仿生学、空气动力学分析、机械结构分析、能源、通信、控制等多学科交叉技术于一身,下面我们来看看具体研究。
  西班牙塞维利亚大学
  受到鹰的启发,塞维利亚大学的研究人员开发了一个扑翼机器人E-Flap,可以满足100%有效载荷。
  由于该阶段主要是验证机器人的结构和飞行控制性能,扑翼机上没有搭载过多的传感器,需要利用外置设备获取位置信息。
  实验中使用光学动作捕捉系统对扑翼机进行定位,数据传输至机载电脑进行飞行控制。可以看到,不同负载下飞行轨迹以及角度变化由动作捕捉系统进行采集。
  作为仿生机器人的一项重要分支,蛇形机器人的易于伪装、隐蔽性高、结构紧密和高集成化的特点,使其能够满足侦察、巡逻等军事需求。
  伍斯特理工学院
  伍斯特理工学院的研究人员建立了一种多物理场环境下高度拟真的气动软体蛇形机器人仿真模型。通过实物机器人验证仿真模型的准确性。
  实验中,动做捕捉系统用来获取准静态时机器蛇的弯曲角度以及运动时的运动轨迹,作为仿真结果的参考值。
  再来说所仿生机械臂,有些场地复杂没有足够的移动空间则需要更为灵活的机器人实现抓取。自然界中象鼻、章鱼爪、蛇等生物结构都为连续体机器人的开发提供了参考。
  帝国理工
  帝国理工学院的研究人员开发了一种开源的三段连续机器人机械手。这个机器人系统由低成本现成组件构成,包括CAD文件和源代码等在内的内容完全开源。
  为了评价机器人的性能,研究人员在机械臂末端粘贴了一个反光标识点,利用动作捕捉系统来跟踪记录机器人可探索的工作空间www.cechina.cn,结果表明半球工作空间中点的均匀分布。
  
  在国内,有很多高校和科研院所使用稳定性高的亚毫米级精度光学动作捕捉系统采集被捕捉目标的运动全过程。
  作为机器人系统性能验证的参考真值,这样的动作捕捉系统可应用于微创手术机器人、多足、扑翼以及水下的仿生海豚机器人等。
  我们同样从多足机器人、扑翼机器人、蛇形机器人、仿生机械臂这几类常见的仿生机器人中各举一例来重点介绍。
  上海交大
  以高峰教授为带头人的上海交通大学智能行走作业机器人研究中心团队,致力于多足机器人方面的研究。该团队主要对多足机器人在不同环境下的交互、步态进行分析,建立路径规划、自适应控制、稳定性判定以及上下楼梯各腿间的数据协调,在研究过程中需要对机器人的六足进行校准标定。
  该团队最终选择了NOKOV度量光学三维动作捕捉系统,期望以此进行精确的标定数据采集。在长9米宽6米的空间内,架设了8个Mars 2H动作捕捉镜头,通过捕捉机器人“躯干”和“四肢”的关节上的反光标志点,以60Hz的采样频率进行了机器人运动过程中的动作采集,得到各反光标志点三维空间坐标。
  这些数据能够通过实时的方式进行广播,通过动作捕捉系统自带的SDK,机器人团队以此可进行二次开发以进行实时的分析和反馈,得以确认六足机器人各足的姿态,实现六足的校准标定以及各腿间的动作协调。
  除了该团队,山东大学、天津大学等高校也正使用动作捕捉系统进行多足机器人的控制分析相关实验。
  哈工大
  哈尔滨工业大学(深圳)徐文福老师团队,为了获取更大空间内仿生扑翼飞行器的飞行位置和姿态,在NOKOV度量燕郊动捕实验室进行仿生扑翼飞行器飞行实验。考虑到实验捕捉空间大、精度要求高,扑翼飞行器上粘贴主动marker。
  山东大学、北京科技大学等 高校的扑翼机器人团队也正使用该动作捕捉系统进行相关研究。
  中国矿大
  中国矿业大学唐超权教授带领的课题组开发了一款蛇形机器人,用于代替人工进行高空电缆巡检。该蛇形机器人由9个相同的关节、一个集控制系统与供电一体的模块和头部的感应器组成。
  为了使蛇形机器人有一定的自主性,机器人搭载了丰富的传感器。机器人需要利用惯性传感器的信息有效估计自身的状态,因此各个关节姿态控制和姿态解算就成为了机器人设计的关键。
  为此,中国矿业大学使用了NOKOV度量光学动作捕捉系统来捕捉机器人的关节运动。该系统利用8个Mars 2H红外光学动作捕捉镜头,捕捉固定在蛇形机器人各关节上Marker标记点CONTROL ENGINEERING China版权所有,从而获取蛇形机器人运动过程中每个关节的位置坐标和角度变化,作为参考量。通过将惯性传感器信息融合后解算出的位姿和动作捕捉系统获取的位姿数据进行对比,验证了算法的有效性。
  吉林大学
  吉林大学机械与航天工程学院的冯美老师团队从力平衡的角度,提出了一种具有恒定曲率的柔性手术器械的结构,可以快速精确响应指令,满足实时手术的主从控制要求。为了验证该柔性手术器械在精细操作下的性能www.cechina.cn,研究人员进行了原型机实验验证。
  实验中采用NOKOV度量光学动作捕捉系统实时获取主手(医生控制)和从动手术器械的运动轨迹信息作为实验结果,将反光标志点分别固定在主手和器械的末端执行器上。通过对比两条轨迹重合度来验证系统性能。
  实验得出柔性手术器械在 x、y 和 z 方向的预期和实际轨迹的 RMSE 分别为 0.498、0.399 和 0.051。证明了该手术器械机构可以很好地在主从操作下进行精细操作。
  航天检测、医疗导航等对定位精度要求较高的项目中,也能看到NOKOV光学动作捕捉系统的身影。
  光学三维动作捕捉系统在自动化科研领域,正发挥着越来越重要的作用:2021年的ICRA的1949篇论文中,688篇使用了光学三维动作捕捉系统(35.3%),相比2020年增加了75篇;2021年的IROS的1943篇论文中,625篇使用了光学三维动作捕捉系统(32.2%),相比2020年增加了68篇。相形之下,2020年中国自动化大会的1768篇论文中,仅46篇使用了光学动作捕捉系统(2.6%)。
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