机器人“选手”亮相冬奥冰壶赛场

刚刚结束的北京冬奥会冰壶项目赛场(冰立方)上,一位特殊“选手”现身。这位“选手”两个后“腿”蹬踏起踏器,两个中“腿”支撑身体,两个前“腿”当作双“手”控制冰壶的方向、移动与旋转速度,然后奋力一投,击中目标。

“表演进行了6次,6投6中。”上海交通大学机械与动力工程学院教授高峰对《中国科学报》说,“这是世界首款模仿人蹬踏、支撑滑行、旋转冰壶行为方式的六足冰壶机器人,它当天的表现出乎意料的完美。”

在“冰立方”表演的这款冰壶机器人是在科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项支持下,由高峰带领上海交通大学与上海智能制造功能平台有限公司相关人员组成的六足冰壶机器人研究团队研发的。

“人投掷冰壶是一个复杂的决策行为。”高峰介绍说,“怎样根据人投掷冰壶的行为特征,设计机器人的结构;如何根据视觉与力觉测量的信息,辨识冰面与机器人接触的动力学参数,从而预测机器人滑行和冰壶运动的轨迹;如何根据人类投掷冰壶的决策方法来控制机器人的行为,这些都是我们开发六足冰壶机器人遇到的技术挑战。”

人类用手控制冰壶的方向和旋转速度,一条腿支撑身体,另一条腿蹬踏起踏器,上海交通大学设计的六足机器人完全具备人类投掷冰壶的3种行为功能。

冰壶比赛不仅是一种体能竞赛,也是一场智力博弈。因此,研究团队需要根据人投掷冰壶的行为特征训练机器人,让机器人实现人的行为决策方式。

在投掷冰壶过程中,六足机器人前部双腿发挥人手的功能,实现抱壶和旋转壶的运动;中部双腿和前部双腿的关节复合成四点接触冰面,实现支撑腿的功能;后部双腿蹬踏起踏器,实现推动机器人加速滑行的功能,另外,前部双腿具有在机器人滑行运动过程中二次掷壶的能力,控制冰壶运动投出时的位置、方向、速度和角速度,使冰壶依靠惯性滑行,实现精准投壶和击打冰壶。

投掷冰壶动作结束后,机器人从投掷冰壶的构态转换成站立构态,可以进行冰面行走和寻找起踏器。冰面的粗糙度和摩擦特性受冰面的制作和使用时间长短影响,机器人要通过视觉和力觉检测信息,辨识冰面的摩擦特性,建立机器人和冰壶的动力学模型,从而实现机器人运动特征规划和精准的冰壶投掷、击打。

六足冰壶机器人能模仿人投掷冰壶的行为,具有视觉和力觉感知能力,能实现冰壶投掷运动的数字化,因此可以作为冰壶运动员日常训练器材。此外,它可以辅助运动员投掷冰壶的决策与规划,给运动员当陪练员。

在冰壶比赛间歇,冰壶机器人或人机竞赛进行的投掷冰壶表演,也能给冰壶比赛增添不少乐趣,让更多人喜欢上冰壶运动,并激发青少年对科创的兴趣。

“这是通用型机器人。”高峰说,“在冬奥会冰壶比赛期间,它可以进行投掷冰壶表演,将来通过更新程序,它还可以完成其他动作或实现其他功能。”

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