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助力“科技冬奧”，上海交大自主設(shè)計研發(fā)滑雪機器人

來源：光明日報 2022-01-18 14:47:07

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光明日報報道靈活避讓障礙、身姿矯健通過旗門、人機交互并肩滑行……近日，由上海交通大學(xué)設(shè)計研發(fā)的六足滑雪機器人在沈陽完成了初級道、中級道以及與人共同滑雪實驗，通過了穩(wěn)定控制、智能感知、規(guī)劃決策等多方面的測試。

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

據(jù)了解，這款滑雪機器人是在“科技冬奧”的號召下，由上海交通大學(xué)高峰教授領(lǐng)銜，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院和電子信息與電氣工程學(xué)院組成的足式機器人研究團隊研制，獲得了科技部國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項支持。

滑雪機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。在初級與中級雪道中的測試，滑雪機器人證明了自己具備敏捷的轉(zhuǎn)彎、制動能力和強大的自主感知、規(guī)劃能力。它能在雪場高速滑行，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動中的“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)足式機器人團隊研發(fā)的這款滑雪機器人是六足機器人，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，實現(xiàn)點杖的功能。每個滑雪板具有五個自由度，通過控制滑雪板實現(xiàn)滑雪的速度控制、轉(zhuǎn)彎和制動等功能。

滑雪對人的穩(wěn)定性和靈活性要求極高，設(shè)計機器人并研發(fā)控制系統(tǒng)參與滑雪活動，挑戰(zhàn)不小。本次測試的滑雪機器人由上海交通大學(xué)自主研發(fā)，研究團隊經(jīng)過歷經(jīng)多次科研攻關(guān)，在機器人性能操控、感知規(guī)劃等關(guān)鍵算法設(shè)計上取得了創(chuàng)新突破，自主完成了從機構(gòu)設(shè)計、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)，最終使滑雪機器人集人機交互、環(huán)境感知、軌跡規(guī)劃、智能決策和穩(wěn)定控制于一體。

研究團隊首先進行了機器人機構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動器設(shè)計制造方面的研究，并為機器人建立了“大腦”——智能系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括動態(tài)平衡穩(wěn)定控制、智能感知和智能規(guī)劃，通過設(shè)計智能和行為智能的有機融合，使得機器人能夠分析人的滑雪行為數(shù)據(jù)，模仿人的滑雪動作，適應(yīng)戶外雪面的環(huán)境特性，實現(xiàn)了自主快速穩(wěn)定地滑行。

在設(shè)計過程中，研究團隊分別以人工遙控和自主規(guī)劃的方式在滑雪機上對機器人身高、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行控制，完成速度控制和轉(zhuǎn)向控制的測試。其中，人工遙控穩(wěn)定轉(zhuǎn)向滑行最高速可達3.2 m/s；自主規(guī)劃勻速直線滑行最高速可達5.17 m/s，穩(wěn)定轉(zhuǎn)向滑行最高速可達2.45 m/s。

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

滑雪機器人不僅是“科技冬奧”的直觀體現(xiàn)，同時也以“人機共融”的理念為后冬奧時代提供了無限暢想。研究團隊表示，“冬奧會結(jié)束后，這款機器人還可以結(jié)合當(dāng)下5G、無線網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)，通過遠程控制，實現(xiàn)滑雪機器人同場競技，創(chuàng)造電－機－競的全新娛樂模式，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)的多項群眾性冰雪活動，推進3億人參與冰雪運動，助力全民健康?！毖芯繄F隊指出，未來，機器人也將成為冰雪運動的重要參與主體，發(fā)揮科技優(yōu)勢，在高山和冰雪環(huán)境中開展巡邏、實施救援，幫助人們規(guī)避風(fēng)險，創(chuàng)造舒適安全的冰雪體驗環(huán)境?！叭藱C共融”的特點還將為未來競技模式的拓展、科技與娛樂的全新融合提供無限可能。（光明日報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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