歷時十年,山大機器人打造機器狗堪比Google大狗

Google旗下波士頓動力研發的機器狗BigDog自誕生以來,受到不少關注。在國內,山東大學也在研發一款類似BigDog的四足機器人。山東大學機器人研究中心是在原山東大學自動化研究所的基礎上,通過引進留學歸國人員、國內和校內機器人和數控研究人才,於2003年建立起來的從事機器人及相關技術的研究機構,也是大陸機器人研究和應用的重要單位。山大機器人研究中心十年來一直專注於四足機器人的自主研制,雖與美國等發達國家相比還存在一定差距,但在國內已屬於領先的位置。

  

歷時十年,山大機器人打造機器狗堪比Google大狗

歷時近十年造出山東版「機器狗」

2006年左右,美國波士頓動力發布四足機器人BigDog影片,影片中美國大兵一腳踹向機器狗,機器狗通過幾個靈活的交叉步調節,很快保持住了平衡。「看到交叉步時,視覺衝擊很大,而當我知道BigDog是由液壓驅動時,受到的衝擊更大,液壓系統怎麼可能響應這麼快?」當年剛研究生畢業的柴匯,想起美國波士頓動力發布的BigDog影片,還難以掩飾當時的震驚。

據了解,平常大家司空見慣的挖掘機或者大型工程機械,都是使用液壓系統,動作慢,反應遲鈍。但是「大狗」反應卻非常靈活,這讓包括柴匯在內的山大機器人研究中心團隊,對液壓系統的認知概念全都顛覆了。「原來液壓系統也可以做這麼精密靈巧的事情,高速發展的伺服液壓系統給驅動和機器人技術帶來革命性的變化,這是負重型的四足機器人的核心技術。」山東大學博士柴匯介紹。

2007年,山大機器人研究中心開始對伺服液壓系統進行理論需求分析、設計論證等,涉足四足機器人研究領域。2010年,團隊做出第一台室內樣機。近10年的時間,該團隊持續研究四足機器人,國內已屬領先水平。「目前,從技術評價上來講國內領先,在國際上也享有一定的知名度和地位。」柴匯說。

部分四足機器人已經做到產業化

柴匯不否認當時自己對於四足機器人研究的悲觀態度。「10年前,李貽斌老師提出,‘我們要搞出具備高動態平衡能力的面向野外應用的四足平台’,但當時我們都認為這是不可能完成的事情,最初團隊裡也只有包括李老師在內的兩個老師咬緊牙關堅持開展這方面的研究。」柴匯介紹,李貽斌是山東大學機器人研究中心的主任、教授和博士生導師,在四足機器人研發的過程中,他推動團隊潛質進行最大程度的發揮,面對世界性的技術難題也從不退步。

「後來,團隊成員越來越多,連續10年,我們一直在努力改進。雖然跟美國相比有一定差距,但我們做到了當年認為不可能,至少我自己認為是不可能的事情。」柴匯說。

山大機器人研究中心的四足機器人中,小型的面向科研教育的平台Billy已經做到產業化生產。Billy的運動能力是國內同級別同尺寸機器人所無法比擬的,無論是平衡性、坡度訓練,還是適應能力方面。但由於成本較高,主要是面向科研教育,兒童可以跟它對話、講故事,做到簡單的陪伴功能。機械狗上的高動態伺服壓作動技術,已在其他一些領域得到應用。 

 

歷時十年,山大機器人打造機器狗堪比Google大狗

野外施工建設時可代替車輛搞運輸

說到四足機械,中國歷史上並非沒有類似裝置。傳說三國時期的木牛流馬,是蜀漢丞相諸葛亮發明的運輸工具,分為木牛與流馬。由於出蜀多山地,艱險難行,常規車馬運輸不便,而前線大軍消耗極大,糧草多賴漢中供給,諸葛亮因此發明木牛流馬。柴匯分析,雖然古時的木牛流馬是用車輪行走還是腿行走至今沒有統一的觀點,但是山地運輸的困難與重要性,以及人們對機械腿足運載工具的渴望,可見一斑。

而現代的四足機器人,最初的功能也是車輛功能。在人力改造過的環境,比如城市,由於道路平坦,四足機器人很難派上用場。但是,在野外進行施工建設時,需要工程機械進入。這時,為提高運輸物資的效率,需要機器人在崎嶇惡劣沒有路的條件下,代替車輛進行運輸。比如,特殊情況下,工程機械在進行運作時,需要燒油,燃料的運輸是大問題,燃油只能靠著人力運輸,三班倒,不眠不休。而現在研發的四足機器人,一次性可以扛載150多公斤,而一桶燃料也就20公斤左右,在崎嶇惡劣的條件下,一個機器人就相當於四五個人的運力。

四足機器人在進行運輸時,本身自己也要克服惡劣的環境,具備避障、識別不同地面軟硬度和起伏度的功能,以及保持運動中的平衡,包括在摔倒後運動的自我恢復,所以,又需要具備一定的智能性。「大型的四足機器人實際上是一種特殊的車輛,不過是以機器人的形式出現,但又不同於以往概念中的機器人。它某種程度上代替的是車輛功能,而非人的功能。」柴匯說。

除了發動機外全都自主研發

據柴匯介紹,山大機器人研究中心自主研發設計的四足機器人延續了中國製造比較典型的特點,針對實際問題去解決,路線和方法跟國外研究有所不同。跟美國等發達國家相比,還存在一定的差距,這也是中國製造面臨的通病和短板。

中國以仿制和逆向工程起家,通過對別人零部件的參考進行研究,但是其中原理性、定量性的要求,一些國產的零部件較難具備。尤其是大的機器人,隨著技術的發展,伺服液壓系統中對液壓的控制更加精密,響應也更加靈活。但是,包括零部件技術、伺服液壓缸、伺服閥等,國內的技術跟發達國家相比還比較落後。「國產的機器基本功能可以達到,但是響應速度和精密上要差一些。」柴匯分析。

山大機器人研究中心研發製造的四足機器人,除發動機外,都屬自主研發。核心技術的零部件性能,基本能做到發達國家性能的60%-80%。「基於這樣的零部件水平,通過我的結構設計及控制方法,把它們整合在一起後,能夠取長補短,使整機性能達到指標要求,是一個很大的技術難題。」柴匯說,想要在指標上和性能上滿足要求,是很困難的事情,需要反復不斷的嘗試,「我們遇到的最大困難,就是不斷實驗時,那種失敗的挫折感。」尤其是挫敗感襲來時,美國等一些發達國家恰巧又把最新的研究影片放出來,「那種感覺,真是難以形容,沒有對比就沒有傷害。」柴匯說。

作為新生事物還有很長的路要走

2015年底,美國海軍陸戰隊決定棄用波士頓動力的四足機器人LS3平台。該平台最初是由美國軍方和波士頓動力合作研發,波士頓動力將其研發出之後,進行了一系列測試,比如用於2014年的環太平洋軍事演習。但之後,美國海軍陸戰隊話鋒一轉,稱由於噪音太大決定棄用,引發質疑。

後來,山大機器人研究中心開始深入研究此事,才發現噪音僅是部分原因,更重要的是,這種機器人與步兵的協調性及戰場上的維護性都存在困難。這一點柴匯和團隊也深有體會,山大機器人研究中心目前的大型四足機器人,光淨重便達131公斤,加上燃油、測試系統等,重量便高達150公斤以上。

「一旦出問題,尤其是在室外的山坡上、爛泥裡測試,直接讓人抓狂。機器與人之間協同和溝通的能力,體現出來的這類技術,即使是在美國,它目前也是不成熟的,作為一個新生事物,它需要克服重重困難。」柴匯介紹,四足機器人在應用時,與人類的磨合期也是剛剛開始。而四足機器人的保養和維護也非常重要。柴匯說,山大機器人研究中心的四足機器人,在野外頻繁進行測試的情況下使用四五個小時後就得保養,最長十個小時也得保養一次,而保養一次就需要四五個人用四五個小時才能完成。

「火車剛發明出來時也跑不過馬車,作為新生事物,四足機器人有很長的路要走,人們對它的認知也有一個過程。」柴匯說。

文/ 大眾網

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