鵝廠工程師讓機(jī)器人有「觸覺」，它反手秀了段雜技

韓智 2022-09-09 14:46:14 來源：量子位

詹士 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

這個(gè)小機(jī)器人有點(diǎn)厲害！

光禿禿「頭」上放個(gè)小球，來回走也不掉：

還會(huì)舉一反三，不同大小材質(zhì)重量的球，都能穩(wěn)?。?/p>

加大難度——

下了個(gè)小臺(tái)階，走上公園凹凸不平的綠地，它也「頂?shù)米　梗?/p>

上下坡，甚至中途小球彈起，也無所畏懼：

它叫Ollie，來自鵝廠Robotics X 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，就在剛剛，上面種種技能被公之于眾。

機(jī)器人Ollie誕生于2021年，剛亮相就為我們搞出了新花樣，一年前，這個(gè)小機(jī)靈鬼以一出「后空翻」驚艷四座：

如今再看，更「靈活」，也更「聰明」了。

所以，這些技能是如何解鎖的？

我們找到制作Ollie的Robotics X 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室相關(guān)技術(shù)工作者們聊了聊。

新能力，觸覺感應(yīng)

據(jù)介紹，Ollie背后的核心能力是——

觸覺感應(yīng)功能。

具體來說，該大類技術(shù)以觸覺傳感器為基礎(chǔ)，在機(jī)器人身上將實(shí)現(xiàn)觸覺信號(hào)的準(zhǔn)確采集、處理，并基于觸覺感知信號(hào)完成模式識(shí)別、人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)控制等任務(wù)。

放在Ollie頂球這個(gè)Case中，有三大關(guān)鍵項(xiàng)。

我們先從觸覺傳感器方面說起。

據(jù)實(shí)驗(yàn)室工程師分享，這回，他們將觸覺傳感器應(yīng)用于Ollie，意在探索以觸覺傳感器作為機(jī)器人電子皮膚，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的人機(jī)交互能力以及一體化感知、規(guī)劃、控制能力上的賦能。

在壓阻材料上，團(tuán)隊(duì)首次采用了合作研發(fā)的新傳感器陣列，最小空間分辨率達(dá)創(chuàng)紀(jì)錄的0.9mm。

該新型材料同時(shí)具有超高靈敏度、超大量程、超快響應(yīng)速度、強(qiáng)穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

Ollie頭頂就被安上一塊這種傳感器陣列，結(jié)合定制化的傳感器電極適配模塊和內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器信號(hào)采集模塊，在Ollie 200mm x400mm頭頂表面上實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)陣信號(hào)的快速采集——

其次，看看平衡控制方面。

在過去，傳統(tǒng)方法依賴機(jī)器人自身動(dòng)力學(xué)參數(shù)的辨識(shí)，一旦參數(shù)不準(zhǔn)確或情況變化，效果就會(huì)拉胯。

為此，團(tuán)隊(duì)為Ollie做了一套基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的平衡控制（ADP），可以更快找到各場(chǎng)景和身姿狀態(tài)下保持平衡的方式。

值得一提的是，這是「自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃」在輪式機(jī)器人平衡控制上的首次應(yīng)用，相關(guān)論文已在IEEE Robotics and Automation Letters上發(fā)表。

最后還需要解決挑戰(zhàn)高難度的頭部平衡、搬運(yùn)球形物體任務(wù)。

Ollie頂球難，難就難在「球是活動(dòng)的」，機(jī)器人還在移動(dòng)，其間需要不斷根據(jù)球體狀態(tài)變化調(diào)整自己。

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。

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(chǎng)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)。

正是以上三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使Ollie得以在各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和環(huán)境下把球穩(wěn)穩(wěn)「頂住」。

不過，觸覺感知及相關(guān)衍生技術(shù)的意義不止于此。

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)。

目前，它已能根據(jù)一次觸摸，識(shí)別對(duì)象的方位：

△誰在摸我？原來是你！

畫個(gè)圈，也能識(shí)別圖案，且有樣學(xué)樣轉(zhuǎn)一圈：

不止Ollie一「人」，在整個(gè)機(jī)器人領(lǐng)域，該方面探索有著更深更廣的價(jià)值。

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。相對(duì)而言，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)控制和靈巧操作等應(yīng)用場(chǎng)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。

因此，從Robotics X 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室視角看，Ollie只是一個(gè)具體研究對(duì)象，更看重的，是在觸覺感知相關(guān)技術(shù)有進(jìn)一步探索和嘗試。

還有更多新技術(shù)

除了頭上頂球，Ollie此番還秀出另一大獨(dú)門絕技——

雙輪邁步。

如果說，去年Ollie的騰空翻身的極限運(yùn)動(dòng)表演，那這回，「邁步向前」更像是瑜伽，拼的是核心力量和平衡性。

這一過程中，機(jī)器人單個(gè)輪子著地的時(shí)間和步頻不等，Ollie憑單輪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。

所以，Ollie如何完成的？

工程師介紹，他們?cè)趩瓮戎坞A段，為機(jī)器人建立了簡(jiǎn)易動(dòng)力學(xué)模型，使用非線性優(yōu)化的辦法，完成動(dòng)作軌跡生成與控制。

此外，在雙腿支撐階段，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。

也因此，雙輪邁步成了Ollie的獨(dú)門絕技。

關(guān)于未來進(jìn)一步規(guī)劃，Robotics X 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室工程師們透露，他們這回集中研究了身體表面的電子皮膚類型的傳感器，后面考慮將觸覺傳感器應(yīng)用在機(jī)器人其他部位。

你覺得，這些技術(shù)應(yīng)用后，Ollie還能整出什么花活？

參考鏈接：
[1]https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9497675
[2]https://arxiv.org/abs/2208.10933

— 完 —

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