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DARPA机器人挑战赛:那支横空出世的黑马冠军韩国队,到底强大在哪里?

2017年08月12日 未分类 ⁄ 共 3586字 ⁄ 字号 暂无评论

编者按:本文为投稿,由微信公众号 机器人学家 独家翻译整理,原文来源于IEEE

两周前结束的DARPA机器人挑战赛上,来自韩国科学技术院KAIST的团队堪称横空出世的一匹黑马,夺得了这项堪称有史以来最引人注目的机器人大赛的冠军,独享高达两百万美金的大奖。

他们使用的机器人DRC-HUBO击败了其他来自5个国家的22台顶尖机器人,其中不乏Atlas、HRP这种明星机器人。

其最大的与众不同之处,也是其成功秘诀之一,当属其“变形能力”——其膝盖和脚踝处装置的轮子可以允许机器人由行走模式切换到轮式移动。DRC-HUBO可以通过跪下和起身,自行完成两种运动模式间的切换。许多机器人在完成一些和外界接触的任务时失去平衡倒下,比如开门、使用电钻等,但HUBO不会。它独特的设计让它能够更快地完成任务,同时几乎不会摔倒。

“机器人的双足行走还无法做到很稳定,”带队的KAIST机械工程吴俊昊教授(Jun Ho Oh)对记者说,“平衡问题上任何一点小差错,结果都是灾难性的。”他说,人形机器人拥有灵活适应人类环境的优越性,但是他同时希望找到一种能够最小化摔倒风险的设计。“我想过很多种方案,其中最简单的方式就是在腿上加轮子。”

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比赛回顾

为期三年的机器人挑战赛DRC是DARPA(美国国防高新科技计划署)在受到福岛核电站灾难的刺激后决定举办的,期望借此计划提升机器人用于灾难应对的水平。DRC决赛要求半自主的机器人和人类操作员合作,在模拟的灾难场景中连续完成任务。参赛的机器人五花八门,大小、形状不一,多数为足式机器人,也有少数轮式,还有若干混合的。

DRC-HUBO凭借以最快速度完成全部八项任务而夺冠。其他机器人也有能够表现很好的,但是很多因为发生事故而耽误了时间,包括唯一一台在摔倒后爬起的机器人CHIMP。

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图:CHIMP机器人

“灵活性也许是最重要的一点,”大赛的项目经理和组织者,机器人届大佬Gill Pratt在一次发布会上这样评论机器人的不同设计。同时具有轮子和腿的机器人设计,虽然会显得更重、更复杂,但是“能够体现这种灵活性。”

HUBO机器人有何特别

吴俊昊教授是仿人机器人领域世界闻名的专家。他的团队已经对HUBO机器人系列完成了几次版本升级。

为了这次DRC决赛,吴俊昊教授对他们的机器人进行了大范围的、针对任务的改造。虽然在赛后的workshop上,他说DRC-HUBO是“没什么特别的,就是一个人形机器人”,但是事实上,KAIST团队为HUBO定制和重新设计了机器人的几乎每一个部分。他估计DRC-HUBO的造价在50万美金到100万美金之间。

下面就让我们来瞧瞧,这台机器人有哪些出众之处,让它能在DRC上一战成名。

1、膝盖上的主动轮

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DRC-HUBO在双膝上装有主动驱动轮,脚上配有被动轮。四个轮子让机器人能够在平地上快速而稳定地运动。在使用轮子时,机器人使用小腿上面朝下的光学传感器进行光流定位。

2、强力电机

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正如赢得去年DRC预赛冠军,并随后被谷歌收购的SCHAFT一样,DRC-HUBO没有使用液压系统,而是用功率相当强的电机代替(机器人身上有33个电机)。电机配有的定制驱动和气冷系统(风扇),让其能够承受超过电机额定值三到四倍的电流,在一些情况下峰值可以达到30安培,这意味着重达80公斤的DRC-HUBO拥有充足的扭矩输出能力。

3、柔性关节

柔性关节能够大大增加机器人对外界冲击的适应能力,但是团队担心传统的基于力-扭矩传感器的柔性实现方式会带来系统的不稳定(力传感器通常存在较大的噪声)。所以他们的做法是使用自己定制的电机驱动,用特殊的放大器实现柔性。

4、灵活的腰肢

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DRC-HUBO 能够让其上身旋转180度。这意味着它可以让自己的膝盖向后,同时让眼睛看向相反的方向(你试试!)。这种功能在站立而下跪模式下都可以使用,并着实让机器人在很多任务中获得方便,包括开车、切割墙壁、爬楼梯等。

5、长臂

KAIST队认识到HUBO 二代机器人的手臂对于DRC的需求而言太短了。于是他们重新为HUBO设计了更长的7自由度手臂,并将所有的线缆布置在手臂外壳之内。每条手臂能够拿起重达15公斤的负载,并配备一个“具有适应性”,能够抓取或软或硬物体的抓取器。

6、简化的感觉

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多数队伍的机器人在头部装满了各种传感器,包括立体视觉摄像头、不停旋转扫描环境的激光雷达等。而DRC-HUBO使用了相对简单的策略,大部分时间它仅依靠一个普通摄像头来工作;配备的激光雷达仅在必须时使用。事实上,这个机器人没脖子和头,“它只有眼睛,”,一个KAIST的学生这样告诉记者。

7、稳定的电源系统

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HUBO的电机有时会突然需要极高的电流,这会给机器人的主电源系统带来严重冲击,甚至会波及其他元件的供电(试想一下,机器人发力时突然控制器断电是个什么画面)。为了避免这种情况,机器人配备了超级电容系统,让计算机、通讯模块、重要传感器即使在主电源系统崩溃的情况下仍能继续工作

8、定制的软件系统

队伍使用实时Linux操作系统Xenomai,和KAIST所开发的运动控制框架PODO。他们也使用了Gazebo仿真环境。机器人软件系统设计所考虑的核心问题,是适应操作者和机器人间低带宽、不稳定的通讯。

HUBO如何完成比赛

Hubo完成比赛可以说是一气呵成,虽然没有摔倒爬起的惊险镜头,却也让人看得十分过瘾。

下面我们一个一个任务来分析。如果不想看细节可以直接拉到最后看结论。

1、开车

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KAIST对车辆进行了规则允许的轻微改造,让机器人能够更舒服地踩油门和刹车。HUBO一手抓住车窗上沿固定身体,另一手握方向盘。HUBO完成第一个任务相当快,仅仅一分钟多一点,因为它不像其他队伍那样在障碍物面前准备转弯时会停下。

2、下车

我们之前说过,下车几乎是整个DRC最难的任务。为了做好它,吴俊昊教授自己先尝试了多次下车动作。他的结论是这个动作需要动态进行而非稳定的静态。机器人先用双手抓住车窗,每只手施加100N的拉力,几乎把身体轻微抬起,然后灵巧地从座位上滑下来。

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下车之后,走两步立即跪下,转为轮式移动模式。

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3、开门

HUBO不需要站着去开门。它轻松地用一只手拧开门,用另一只手优雅地推门而入。

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4、开阀门

阀门位置较高,但这并不意味着HUBO需要站起来,它只要稍微抬起一点,就可以舒服地完成操作。

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5、电钻

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任务要求机器人拿起普通的电钻,用手拨开开关,然后在墙上打出一个圆。这关对机械臂操作有很高的要求。HUBO通过手上的力传感器稳稳地拿起电钻,它甚至把电钻的位置重新调整以获得完美的抓握。操作者给出简单的位置指令后,机器人自动开始画圆,过程中保持电钻上有20N的压力。你可以看到它是如何灵活运用整个上身的运动,来画出一个完美的圆。

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6、意外任务

意外任务直到赛前才公布,是将一根电缆插头从一个插座上拔下来,插在另一个上面。这回,HUBO需要站起来完成任务。有意思的是,你可以看到HUBO如何通过激光雷达的扫描发现垂下的电缆挡住了路,并通过迈步重新站到合适的位置。

插上插座是很不容易的。HUBO用手抓住电缆而非插头部分,以保持清晰的视野。经过若干次尝试,成功!完成任务用了13分钟,是最耗时的一项。

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7、杂物地形

这一关要求通过满是杂物的一段通道。多数足式机器人选择了走侧面的砖石路,这也导致了多次惨烈的摔倒。而HUBO表现得十分聪明:它转过上身蹲下,以脚底朝前的姿势,像推土机一样直接强行穿过杂物堆。

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这也让它在这一项上获得相当的时间优势——不到五分钟完成。

8、上楼梯

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最后的任务是爬上一段楼梯,对HUBO来说,这无异于登上领奖台。这是它展示步态的最佳机会。你可以看到它转过上身,以膝盖向后的姿势,一级一级登上楼梯。这种姿势的好处是,机器人可以用头看到自己的脚在哪里——对于机器人行走,这是很重要的反馈信息。场下其实比场上更强

KAIST为了比赛制造了四台DRC-HUBO,并从赛前一个多月就已经开始在无安全缆绳的情况下进行测试。他们测试过户外场景,包括在一个地面粗糙的停车场,并测试过大风、强烈阳光在内的各种情况。在几个月前指定赛题时,组委会还有点担心决赛会不会太难。最终制定了题目后,Gill Pratt的想法是,即使没人完成全部任务,这也是对机器人学的很大推动。

现在看来,Gill Pratt和组委会真是多虑了。

在赛后的发言中,吴俊昊教授表示,在训练期间的HUBO就已经既可以用行走模式,也可以用跪下轮式模式完成所有任务,测试的平均用时仅仅30分钟。HUBO尤其擅长用手清理杂物——为了最快取胜,这项技能没能在比赛中展示,这让韩国队有点遗憾。同时,吴教授透露他们能够在比决赛困难得多的地形上轻松完成任务。

“遗憾的是我们没能够在决赛上展示我们漂亮的行走动作......因为这任务太容易了!”

吴教授以这句话结束演讲,在掌声中走下讲台。 

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本文来自读者投稿,不代表 36氪 立场

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