慕尼黑工業(yè)大學(xué)人形機器人：不依賴人類感知和決策能力自主行走

“自主式”崎嶇地形行走的機器人是機器人第一次在隨機擺放的踏腳石上實現(xiàn)自主式動態(tài)行走，步履翩翩，讓人記憶猶新。通過利用最佳和非線性控制系統(tǒng)，研究人員演示了機器人在距離和高度隨機變化的石塊之間的動態(tài)行走。通過設(shè)計機器人和反饋算法，機器人可以以安全可靠的方式在復(fù)雜的地形上實現(xiàn)精確的足跡放置。然而這樣的機器人還是像“盲人”，研究人員需要向機器人提供周圍環(huán)境的信息，例如下一塊墊腳石的位置。后來，研究人員開始嘗試將計算機視覺算法（包括深度分割和深度學(xué)習(xí)）與控制器集成，使得機器人能夠?qū)ζ渲車h(huán)境進(jìn)行推理并完全自主地發(fā)展自己的行為。

無獨有偶，慕尼黑工業(yè)大學(xué)機械工程系的研究人員們正在研究構(gòu)造一種能夠快速、類似人類自主行走的機器人。他們通過改進(jìn)視覺感知和步行控制的整合來解決機器人的自主性問題。于是，一個名為LOLA的人形機器人誕生了。LOLA機器人研究的重點是機器人不依賴于人類感知和決策能力的自主性。研究內(nèi)容包括動力學(xué)、實時運動規(guī)劃控制，以及此類系統(tǒng)的設(shè)計。為了實現(xiàn)快速靈活的行走，機電系統(tǒng)的全面設(shè)計至關(guān)重要，研究人員將機器人的所有組件視為高度集成系統(tǒng)的緊密耦合部分。

LOLA機器人總重60公斤，高180厘米，其物理尺寸基于人體測量數(shù)據(jù)。關(guān)于硬件設(shè)計的一個最重要的問題是如何選擇機器人的運動結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)自然、穩(wěn)定和快速的行走。模擬和實驗表明，額外的冗余DoF可以實現(xiàn)更自然，更靈活的行走模式，并擴展機器人的能力。除了運動結(jié)構(gòu)之外，研究人員通過定義進(jìn)一步的設(shè)計目標(biāo)以改善腿部動力學(xué)：足夠的機械剛度，高質(zhì)量中心，以及腿部連桿的低慣性矩。為了改善腿部動力學(xué)，研究人員為LOLA機器人的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)開發(fā)了新的運動結(jié)構(gòu)，其中較重的部件（例如馬達(dá)）位于髖關(guān)節(jié)軸附近。由于機器人的重量對全系統(tǒng)動力學(xué)有很大影響，因此輕量化結(jié)構(gòu)非常重要。該項目應(yīng)用的方法是將主要結(jié)構(gòu)部件設(shè)計為由鋁制成的熔模鑄件。

機器人的分層控制框架結(jié)合了環(huán)境感知，導(dǎo)航和運動規(guī)劃以及局部穩(wěn)定和反向運動學(xué)的模塊。改進(jìn)的自主性還需要更強的魯棒性，靈活性和步行模式的在線適應(yīng)性，以確保在各種步行情況下的穩(wěn)定性。