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深度技术帖

发布日期:2016/3/4 5:29:12 浏览:7629

长(最初版本还设计了手部精细动作),由航空级铝和钛建造,身高约1.8米,重达150公斤,并配备了两个视觉系统——一个和一个立体照相机,由一个机载电脑控制。

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Atlas1.0可以在实验室环境中,走过铺满石块的道路,并一直保持身体平衡不摔倒;引入不是很大的外部撞击力,仍能保持单脚站立不摔倒。在一只脚的行进路线上放置障碍物,受阻挡的步态会自动在下一步更新步态,规划下一步的落地点离开障碍物。Atlas1.0已经可以做到在野外环境中行进,尽管它需要拖着长长的尾巴供电,且测试中的森林环境较雪地平坦、容易观测很多。

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2015年年初,为了参加六月的DARPA机器人挑战赛,Atlas完成了自己的一次进化。Atlas2.0全身的百分之七十五都被重新设计了,只有小腿和脚沿用了上一版的设计,新改进的Atlas比第一版本身材更加纤细,体型也更小,有效的机载液压泵也使得Atlas机器人在移动速度上更加迅猛。它可以与上位机进行通信,也脱离了电缆的束缚。改进的目的也是使Atlas机器人更容易完成一些挑战,例如要求它挤入专为人类设计的空间。

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然而最终比赛时,包括Atlas在内的参赛机器人却都显得很笨拙,随时摔成狗。DARPA挑战赛上,机器人在室外场地完成了一系列任务,这些任务包括了打开阀门,攀登一些阶梯和开门。不过,在所有24台机器人中,只有两台机器人成功地完成了这些任务,其他机器人在比赛中因为各种各样的原因都没能完成,仿佛想要克服这些困难是一件完全不可能完成的任务。这些来自世界顶尖研究团队的机器人再次证明,双足机器人仍然很难保持平衡,尤其是在沙地上行走、跨过成堆的瓦砾,以及从汽车中走出来。几个使用了Atlas的团队都亲眼目睹了自己的机器人在比赛中轰然倒地。

(http://v.youku。com/v_show/id_XMTI1NTk4NTA4OA==.html)

看完这些双足机器人摔倒的窘态,也就不难理解大家在看到Atlas3.0时的懵逼了。虽然BostonDynamics公司仅仅称之为Atlas的下一代版本,但看起来这是一个巨大的产品飞跃,因为它就像一个完全不同的物种。总结起来,最新版Atlas牛在以下三点:

1、步态

在双足行走方面,目前国际上大多数采用的是ZMP方法(ZeroMomentPoint,即当机器人足与地面完全接触无欠驱动现象时,水平方向的合力矩为零的点),本田的ASIMO也采用了该方法。ZMP依据的思想就是使机器人足与地面保持静止,在此条件下,只要在支撑多边形内,机器人就是瞬时平衡的,如果每个周期都是瞬时平衡的,则机器人就能达到长期平衡。

从视频中也可以看到,采用此法,一般要求机器人保持上身躯干在竖直状态,若躯干不能保持竖直,则机器人很有可能摔个狗啃泥,甚至还有专门的反馈控制来保证此条件。相比Atlas,视频中的ASIMO走路姿势更加“稳健”,但是测试是在室内进行的,在环境更为复杂的室外,或和Atlas一样受到棍击,ASIMO是否还能这样健步如飞保持平衡,就不得而知了。

(http://baidu.pptv。com/watch/1489506357010004661.html?page=videoMultiNeed)

而Atlas机器人采用了一种类似“踉跄”的行走方式,根据《机器人学家》分析,这是Capturability步态。BostonDynamics公司非常神秘,不发Paper,也极少申请专利,因此大家对于这一步态具体实现方法知之甚少,不过可以肯定的是,它和ZMP步态控制策略完全不同,Capturability指导思想是抬脚高度高,不停的快速踏步,选择新落脚点。

雪地其实是一种极为复杂的野外环境,雪层厚度无法事先通过参数设定,机器人必须做到动态调整(dynamicallyadjust)落脚瞬间保持平衡,才能在这样的环境下行走。同时,Atlas被研究员用棍子戳后还能保持平衡,这一点也很牛,当机器人突然遇到冲击时,我们称之为一次刺激,系统通常很难回应。

Atlas给人的反应尤其深刻,因为工作人员在推它的胸部,这是重心所在的位置。而拿箱子这个看似简单的动作,也涉及到了无数的机器人躯体质心变换,机械臂输出扭矩的动态调整,当然,还有坚如磐石的小短腿。因此,Atlas在复杂地形行走时,或者遇到干扰要摔倒时,Capturability步态让其能够适应很大范围的障碍物,快速回应一定范围内的外力冲击,像人类一样踉跄着走。虽然看起来姿势不优雅,但是更稳定可靠了。

2、液压系统 3D打印

在说液压驱动之前,先谈一谈目前机器人行业更加主流的电机驱动,上文中提到的ASIMO就是电机驱动的:它的主要执行机构都是通过电机和精密的减速器构成,每一个关节的速度,扭矩都是通过电机控制器直接发号指令。

相比液压,电机有很显著的优势——非常好控制:给电机驱动器供上电,插好电机和电机背后的编码器,上位机一输信号一个最简单的电机系统就可以工作了。同时,机器人行业的电机已经出现大批成品解决方案,如最常见的Maxon电机,基本已经成为业界标配。通过采购整套电机解决方案,步态算法工程师可以省去大量维修取材的时间,把时间用于纠结算法而不是机器人本身的实现,这一做法完全可以理解,毕竟,光是维持平衡就已经如此艰难……

然而,BostonDynamics公司是一家很有个性的公司,MarcRaibert也是一位很有想法的霸道主席,他在各处演讲时多次安利液压:“液压是一种被严重低估的机器人执行器”“液压完爆一切”。他们多年来一直坚持这一理念,几乎每一个版本的机器人都是基于液压的。

首先必须承认,液压系统极为复杂。即使想要使用最简单的液压执行器,也需要构建一整套液压系统:油箱,增压泵,溢流阀,分压阀,以及各种伺服液压阀,金属液压管路,还有最重要的油缸。除执行外,反馈结构也很复杂:想要位置,扭力的数据,需要自己配合光栅尺,线性磁编码,压力改装/设计/生产各种非标液压缸。

双足机器人全身上下至少需要数十个制动器(actuator,Atlas2.0使用了28个,即自由度28,3.0版本自由度目前未知),除了少数对称关节,几乎每一个制动器都有其独特的形态:全身各处的扭力需求,有效空间都不相同。如何做出数十个形态各异的制动器,逐一将他们设计优化,又如何将这些制动器放置到有限空间内,每一步都需要极为精妙复杂的考量,这已经不光是技术,而是艺术了。

那么为什么Atlas要放弃简单的电机系统,坚持使用液压驱动呢?最大的原因在于,液压提供相比电机高许多的能力输出密度。同样的空间内,用液压元件所做的功是电机的数倍甚至数十倍。而电机,想要保持娇小体型的前提下,只能在牺牲响应速度加扭力,和牺牲扭力加响应速度二者之间做出抉择,若想两全其美,则只能背上大而沉重的。

另外,液压结构还能使机器人更有“弹性”,起到减震作用(shockabsorption)。传统电机驱动机器人在很多状态下可以被视为一个刚体,以HUBO为例,直流电机 谐波减速器驱动,由于它对扭力需求很高,即需要极高减速比,才能在输出端将电机反向推动,机器人倒下或受到冲击时承受的力无法将电机逆推(non-backdrivability),但远远大于其关节承受的程度,那么机器就会受到“内伤”。而液压缸内可以通过增加储能器来充当缓冲器,变得更有弹性。

这一代的Atlas还在液压控制的基础上使用3D打印来制作大腿,将伺服和液压线都嵌入结构中,而不是作为单独的部分。这只3D打印大腿看上去有很多仿生的元素,比如类动脉式的液压管道布局、看上去很像骨头的支架等。

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液压 3D打印的技术成就了Atlas优秀的强度-重量比:身高1.75m,体重82kg(上一代是1.9m,156kg),更小、更轻,但依然Powerful,无论是手臂支撑弹跳起身,搬运货物,还是开门,都能干脆利落的完成。

3、自动化

把这一点放在最后讲,是因为目前关于这点仍然有很多争议。我们看到Atlas开门,过雪山,搬砖,追箱子,但我们并不知道这些行为中有多少是机器人自发完成的,又有多少是人类控制的。有人指出,Atlas在完成搬箱子的过程中,头上的激光雷达定位器旋转飞快,但是在户外行走的时候,激光雷达定位器却一点都不动,所以极有可能户外行走并不是自主行为,而是人为操控。另外在搬箱子、出门推门等过程中,我们都能看到QR码,这也算是一种“作弊”吧!同时,视频中Atlas也只展示了狗吃屎式摔倒,相对来说这是最简单的起立方式了。

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IEEESpectrum记者显然也对自动化还是人为控制这个问题很关注,并在对MarcRaibert采访时提出这一问题,Raibert表示,对于户外的场景,人类提供了无线电设施,而机器人使用立体声和激光雷达传感器,以适应地形的变化,Atlas也有自己的平衡和运动控制系统。室内的场景是一些纸盒,一旦人类告诉他开始做,机器人会自动追逐盒子,并且把盒子堆砌起来。

我们认为,这些问题其实并不是关键。室外运动有人引导控制无伤大雅,最关键的动态平衡和运动控制还是Atlas自己完成的。如前文所说,雪地环境下无法人为提前预设坡度、不平整度,不可能一步一步地操控机器人,人为控制的程度应当是有限的。而QR码就更不是问题了,这只能说明Atlas的机器视觉有待提高,然而BostonDynamics本来就没有将机器视觉作为研究重点,他们的研究核心是动力平衡,Atlas搬箱子只是为了测试在重心变化过程中怎样自动保持平衡,这和它搬什么东西,用什么方法识别出要搬的东西无关。

至于只能用一种姿势摔倒站立,要知道这对于机器人来说已经是创举了,前文中提到的DARPA机器人挑战赛里,那些摔倒后的机器人只能通过重启再次运行,根本无法主动起立。总的来说,目前Atlas不能完全自主运行也是极为正常的,毕竟,双足机器人的控制系统“比战斗机还要复杂”。

综上所述,BostonDynamics的Atlas在成熟、稳定的硬件平台上实现了极佳的步态控制和操作控制。即使在机器视觉等智能领域没有什么重大突破,也无伤大雅。

4双足走路的Atlas有什么应用场景吗?难道就是为了情怀或者娱乐民众的么?

这时候一定会有人问:没错啊,Atlas双足走的这么稳是很牛很厉害,算法是先进,但是这么做又有什么用呢?难道就用来陪孙楠跳舞么?走得那么慢,还不如用滚轮滚得快呢(就像星球大战7

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