来源:之江实验室

揭开仿人机器人背后的技术面纱,之江实验室夺亚机器人足球世界杯

前不久在澳大利亚落幕的 RoboCup2019 机器人足球世界杯上,来自之江实验室的 ZJLabers 队惜败给伊朗 MRL-HSL 队,夺得中仿人组(机器人高度在 80-140cm 之间)亚军,这也追平了我国机器人足球队伍在该组别取得的最好成绩。

ZJLabers 队长留云毕业于浙江大学,在校期间就参与了学校的机器人足球队,当时研发的是小仿人组(机器人高度在 40-90cm 之间)的机器人。「当机器人尺寸和高度提升后,对机械结构稳定性、步态行走稳定性等基础能力就有了新的要求,我们从硬件和软件两方面为本次参赛的机器人进行了大量优化升级。」中仿人组机器人在受到碰撞摔倒后需要自主爬起,留云带领的团队为此优化了步态调整策略,缩短了步态执行周期,不仅可以快速爬起,更减小了摔倒的风险。大仿人(机器人高度在 130-180cm 之间)组的机器人则允许有人站在机器人后方,当其要摔倒时,可以将机器人移下场。

除此之外,该团队还为本次比赛的机器人做了「定制化」的设计,赋予了机器人更强的赛场适应性。「由于我们自己的试验草地并不平整,为了应对临场比赛时的意外情况,我们团队为机器人开发了足底压力传感器,用于测量足底受力大小与分布情况,以检测反馈临界稳定状态。参数反馈之后,基于落地腿的切换策略以及基于 ZMP(零力矩点)的平衡闭环逻辑,我们设计调整了控制策略以提升机器人在实际比赛中的步态稳定性。」留云说。


据了解,RoboCup 的比赛不允许参赛队伍使用当前业界常用的激光、毫米波、GPS 等主动探测式传感器进行感知和定位,近年来的比赛场地已变为人工草皮,两方球门也改为一样的白色,使用的球也改为真正的足球,光线条件也逐渐从室内灯光转换到自然光,一切都更加接近真实的足球比赛。ZJLabers 的队员们充分利用了之江实验室在人工智能领域的技术优势,运用深度学习算法训练得到相应模型,以识别场上的球、球门、机器人等特征,再结合机器人自身上场位置信息、IMU 信息等,通过粒子滤波等定位算法实现了机器人的自定位。

在谈起参赛各国的技术水平时,留云表示相对于其他对手,他们的机器人在路径规划上和球前调整上还有很大提升空间。「我们设计的机器人在中仿人组中属于高度比较高的一类,但其机动性却没有受到太多影响,行走速度比较快,找球比较精准,控球率也高。决赛输球的主要因素可能还是出在机器人横向移动能力较弱这方面。伊朗队的调整时间非常短,出脚非常快,行走时也比较稳定,晃动小,很多时候我们的机器人先于对手找到球,也先走到球前,但调整时间过久,造成对方机器人已经拦截上来,错失进攻机会。印尼队的机器人踢球非常远,可以达到 4-5m。韩国队的防守很稳定,机器人在自己半场挡住大量进攻。」留云回忆说。接下来 ZJLabers 队将开始进入大仿人组别的机器人系统研发,在机械、电气、步态、定位等方面会尝试一些新方案和算法,以应对更高难度的挑战。

在仿人机器人领域,满足高度动态性能的腿足式机器人的驱动器设计和自主智能算法一直是业界的巨大挑战。机器人动态步行需要驱动器实现大力矩输出密度、快速响应交互能力。目前成人大小的动态能力最强的人形机器人当属波士顿动力的 Atlas,其采用液压+金属 3D 打印方案,能保证稳定的能量输出密度和快速的动态响应能力。

成立近两年来,之江实验室在人工智能领域潜心深耕,专注基础研究和关键技术攻关,以全面支撑国家安全、数字经济和社会治理等重大战略领域发展。为连接全球顶尖的人工智能人才,构建「科学无边界、创新无边界、人才无边界、合作无边界」的科研生态体系,之江实验室与杭州未来科技城管委会将于 2019 年 8 月 16 日至 17 日在浙江杭州科技未来城举办「之识无界」大会暨第二届之江国际青年人才论坛。点击「扩展阅读」了解更多信息。

此外,为激发青年科研人员科研创新动力,鼓励更高水平研究,之江实验室今年特设了之江国际青年人才基金。该项青年人才基金的申报正在进行中,相关领域的科研人才可登录基金官网 http://www.zhejianglab.com/zjyf.html,了解基金详情,参与申报。

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相关数据
零力矩点技术

“零力矩点”是判定仿人机器人动态稳定运动的重要指标,ZMP落在脚掌的范围里面,则机器人可以稳定的行走。

粒子滤波技术

粒子滤波器(particle filter)是一种使用蒙地卡罗方法(Monte Carlo method)的递回滤波器,透过一组具有权重的随机样本(称为粒子)来表示随机事件的后验机率,从含有噪声或不完整的观测序列,估计出动态系统的状态,粒子滤波器可以运用在任何状态空间的模型上。

路径规划技术

路径规划是运动规划的主要研究内容之一。运动规划由路径规划和轨迹规划组成,连接起点位置和终点位置的序列点或曲线被称为路径,构成路径的策略则被称为路径规划。路径规划在很多领域都具有广泛的应用,如机器人的自主无碰行动;无人机的避障突防飞行等。

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