腾讯 Robotics X 轮腿式机器人 Ollie 亮相 ICRA 2021,花滑空翻样样行

6月1日,腾讯 AI Lab 及 Robotics X 实验室主任张正友博士在机器人行业顶会 ICRA 2021 做大会报告,分享了实验室在机器人移动研究领域的布局与进展(www.haoyo.net)。实验室研发中的轮腿式机器人Ollie首次对外展示,在视频中表现了双轮平衡、多模态移动、跳跃、360度空翻等运动能力

轮腿式机器人(wheel-legged robot)兼具轮式优势和腿部能力,平地移动快、效率高、噪音低,借助腿部能力则能完成适应不平地面、跳跃通过台阶等动作,越障能力强。视频中,Ollie就像技巧高超的花滑高手,不仅能在多种地形上平稳滑动,还能灵活越障,秀出花式动作。

相关研究论文被 ICRA 2021 收录,介绍轮腿式机器人平衡控制器的设计思路与实验结果。ICRA 全称 IEEE International Conference on Robotics and Automation(国际机器人与自动化会议),是机器人领域最有影响力的国际学术会议之一。

跳跃空翻都很稳

要让机器人应对复杂地形,跳跃能力不可或缺。最低身高只有35厘米的Ollie,可以跳上40厘米的台阶,竖直起跳高度最高可达60厘米。

进一步挑战运动能力极限——空翻。Ollie 身体微倾,瞬间发力起跳,并舒展“尾巴“辅助翻转,“尾巴”和身体在空中配合流畅顺滑;随着双轮稳稳落地,Ollie 干脆利落地完成了高难度的空中翻转 360 度动作。

双轮模式下,机器人与地面只有两个接触点,对平衡能力提出更大挑战。在变换身高过不平整地面和面对外界干扰时,Ollie 都能完美保持平衡。

实验室还初步探索了 Ollie 的负载能力,实现在三轮稳定模态下搭载机械臂,完成简单操作任务。

集成并拓展实验室移动技术

Ollie 在机械本体、整机系统与控制软件上集成迭代了实验室技术积累,并重点在运动规划与控制上突破创新,新增的全身动力学控制与整机参数辨识提升了机器人运动的精准度、灵活度以及柔顺性,拓展了实验室的移动技术布局。

Ollie的机械设计大有玄机:单腿采用并联机构,与身体形成五连杆结构,使整体具有结构简单、动态性能高、爆发力强的特点;“尾巴”的独特设计一方面为Ollie提供额外角动量,助其完成更高动态运动,如空翻。同时“尾巴”可充当第三条腿,增加稳定性,为搭载机械臂完成更多任务提供可能。

非线性控制技术让机器人具备良好的平衡能力,此前实验室研发的自平衡自行车已应用同类技术,在静止及行进状态下均保持平衡不倒。针对轮腿式机器人的形态和特点,适应性地应用非线性控制方法,控制器不再受限于模型的可线性化区间内,使机器人 Ollie 在大角度倾斜时也具有良好的平衡能力和鲁棒性。

全身动力学控制则让 Ollie 实现更具挑战的运动,如在空翻落地和抗打击时,面对突如其来的巨大冲击,Ollie 能“以柔克刚”。这套控制技术基于机器人全身动力学,采用最优化方法求得全身各关节力矩,通过电机的力矩控制,实现机器人的全身姿态控制,提升抗外界干扰的能力。

Ollie 能够完成跳跃和空翻,得益于其出色的轨迹规划能力。在完成这些动作时,Ollie 提前“想好”运动轨迹,即如何应用自身的形态和结构特点,最大程度地发挥关节电机性能来实现目标运动。Ollie 以全身动力学模型为基础,将整个跳跃或空翻过程分解为起跳、飞行、落地三个阶段,通过优化手段得到完成整个运动的关节电机位置、速度和关节力矩的参考值序列,再结合全身动力学控制完成了一系列高动态动作。

目前 Ollie 还处于研发阶段,实验室将基于轮腿式机器人平台的机动性特点,拓展平台上感知、负载等各功能模块搭建,让机器人具备更成熟、更丰富的能力,走进更多生活场景,向人机共存、共创、共赢的未来不断迈进。

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