助力“科技冬奧”，上海交大自主設(shè)計(jì)研發(fā)滑雪機(jī)器人

光明日?qǐng)?bào)報(bào)道 靈活避讓障礙、身姿矯健通過旗門、人機(jī)交互并肩滑行……近日，由上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)的六足滑雪機(jī)器人在沈陽完成了初級(jí)道、中級(jí)道以及與人共同滑雪實(shí)驗(yàn)，通過了穩(wěn)定控制、智能感知、規(guī)劃決策等多方面的測(cè)試。

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在這次測(cè)試中，滑雪機(jī)器人在400米長、坡度18度的中級(jí)雪道，以大于10m/s速度滑行，運(yùn)用智能感知、制動(dòng)控制等技術(shù)，完成了機(jī)器人競(jìng)速、轉(zhuǎn)彎、規(guī)劃路線、規(guī)避障礙以及人與機(jī)器人交互等試驗(yàn)科目，除了身形靈活、姿勢(shì)優(yōu)美外，它能通過無線遠(yuǎn)程人機(jī)交互控制，在真實(shí)的滑雪環(huán)境中穿行滑雪人群，讓大家體驗(yàn)和機(jī)器人一起滑雪的樂趣。

據(jù)了解，這款滑雪機(jī)器人是在“科技冬奧”的號(hào)召下，由上海交通大學(xué)高峰教授領(lǐng)銜，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院和電子信息與電氣工程學(xué)院組成的足式機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)研制，獲得了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)支持。

滑雪機(jī)器人不僅能高速滑雪，還能躲避人群、自己規(guī)劃最優(yōu)路線。在初級(jí)與中級(jí)雪道中的測(cè)試，滑雪機(jī)器人證明了自己具備敏捷的轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)能力和強(qiáng)大的自主感知、規(guī)劃能力。它能在雪場(chǎng)高速滑行，遇到障礙物還能急轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)保持自己矯健的滑雪身姿，還能在滑行的過程中完成高山滑雪運(yùn)動(dòng)中的“過旗門”任務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的速度、方向控制，具有滑行、急停、避障、繞桿等功能。

據(jù)介紹，上海交通大學(xué)足式機(jī)器人團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這款滑雪機(jī)器人是六足機(jī)器人，采用雙板滑雪。中間的四條腿分成兩組，每兩條腿固定在一個(gè)滑雪板上，用于控制滑雪板的位置和姿態(tài)，兩側(cè)的兩條腿分別加裝了滑雪杖，用以模仿人，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)杖的功能。每個(gè)滑雪板具有五個(gè)自由度，通過控制滑雪板實(shí)現(xiàn)滑雪的速度控制、轉(zhuǎn)彎和制動(dòng)等功能。

滑雪對(duì)人的穩(wěn)定性和靈活性要求極高，設(shè)計(jì)機(jī)器人并研發(fā)控制系統(tǒng)參與滑雪活動(dòng)，挑戰(zhàn)不小。本次測(cè)試的滑雪機(jī)器人由上海交通大學(xué)自主研發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過歷經(jīng)多次科研攻關(guān)，在機(jī)器人性能操控、感知規(guī)劃等關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)上取得了創(chuàng)新突破，自主完成了從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)框架、穩(wěn)定控制到智能感知、自主規(guī)劃等一系列環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，最終使滑雪機(jī)器人集人機(jī)交互、環(huán)境感知、軌跡規(guī)劃、智能決策和穩(wěn)定控制于一體。

研究團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制造方面的研究，并為機(jī)器人建立了“大腦”——智能系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)平衡穩(wěn)定控制、智能感知和智能規(guī)劃，通過設(shè)計(jì)智能和行為智能的有機(jī)融合，使得機(jī)器人能夠分析人的滑雪行為數(shù)據(jù)，模仿人的滑雪動(dòng)作，適應(yīng)戶外雪面的環(huán)境特性，實(shí)現(xiàn)了自主快速穩(wěn)定地滑行。

在設(shè)計(jì)過程中，研究團(tuán)隊(duì)分別以人工遙控和自主規(guī)劃的方式在滑雪機(jī)上對(duì)機(jī)器人身高、身體俯仰角、重心前后位置、重心左右位置、左右雪板夾角、左右腿高低、左右雪板前后位置進(jìn)行控制，完成速度控制和轉(zhuǎn)向控制的測(cè)試。其中，人工遙控穩(wěn)定轉(zhuǎn)向滑行最高速可達(dá)3.2 m/s；自主規(guī)劃勻速直線滑行最高速可達(dá)5.17 m/s，穩(wěn)定轉(zhuǎn)向滑行最高速可達(dá)2.45 m/s。

正是這些關(guān)鍵技術(shù)的集合，使這款滑雪機(jī)器人通過無線遠(yuǎn)程人機(jī)交互控制，能在真實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)在滑雪人群中穿行，在初級(jí)雪道和中級(jí)雪道完成高速滑雪和避障安全控制。它也能夠在戶外初級(jí)和中級(jí)雪道自動(dòng)完成啟動(dòng)、滑行、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)，無需人為干預(yù)。

滑雪機(jī)器人不僅是“科技冬奧”的直觀體現(xiàn)，同時(shí)也以“人機(jī)共融”的理念為后冬奧時(shí)代提供了無限暢想。研究團(tuán)隊(duì)表示，“冬奧會(huì)結(jié)束后，這款機(jī)器人還可以結(jié)合當(dāng)下5G、無線網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，通過遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)滑雪機(jī)器人同場(chǎng)競(jìng)技，創(chuàng)造電－機(jī)－競(jìng)的全新娛樂模式，為滑雪愛好者和青少年創(chuàng)造科技感十足的娛樂新風(fēng)尚”。

“開展包括大眾冰雪在內(nèi)的多項(xiàng)群眾性冰雪活動(dòng)，推進(jìn)3億人參與冰雪運(yùn)動(dòng)，助力全民健康。”研究團(tuán)隊(duì)指出，未來，機(jī)器人也將成為冰雪運(yùn)動(dòng)的重要參與主體，發(fā)揮科技優(yōu)勢(shì)，在高山和冰雪環(huán)境中開展巡邏、實(shí)施救援，幫助人們規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，創(chuàng)造舒適安全的冰雪體驗(yàn)環(huán)境。“人機(jī)共融”的特點(diǎn)還將為未來競(jìng)技模式的拓展、科技與娛樂的全新融合提供無限可能。（光明日?qǐng)?bào)全媒體記者 任鵬 曹繼軍 通訊員 高岳 齊臣坤 江倩倩）

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