设计是机器人智能之本，上海交通大学高峰教授分析步行机器人的设计与控制
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导读
2018年10月27日，上海交通大学高峰教授做客机器人大讲堂，发表了主题为《设计是机器人行为智能之本》的主题演讲。高峰教授是国家973计划的首席科学家，以及国家杰出青年基金获得者，曾获发明专利110项，发表SCI论文112篇，出版3部中英文专著。主要研究方向为并联与步行机器人的设计与控制。
整理编辑：溪岚
高峰教授就步行机器人的机构、部件、控制及应用展望等方面进行了介绍，现将高峰教授的报告整理如下：
机器人的构成
机器人的构成分为几个部分：
一是机构：机构是人类发明的一种表达机械系统功能和性能特征的工程师语言。机构是构件和运动副的组合体。大自然创造的动物和人类发明的机器都遵行机械原理。机构是机器人设计与发明的核心。
二是基础部件：机器人的基础部件有两部分，感知部件（力、位移、视觉、陀螺等传感器）；驱动部件（电机、减速器、驱动与控制器等）。基础部件体现机器人开发的核心竞争力。
三是控制：机器人的控制体现在机器人的底层控制技术、通讯技术、智能控制技术等方面。
机器人的机构设计
机构学是人类社会进步中很重要的发现，不光是机器人，所有能动的设备都是机构。机构运动输出有两种形式，一种是移动，一种是转动。移动是线性叠加，而转动是非线性的，与顺序有关。
先看看机构设计。比如一个机器人的腿，可以把并联或混联引进来。串联腿的机构形式少，电机安装在腿的关节处。但是并联、混联腿的机构有很多种形式。有了腿就可以综合和发明出各种各样的步行机器人机构，如各向同性六足机器人，往哪个方向走性能相同；仿昆虫六足和仿螃蟹横向行走机器人；移动制造机器人，适于高铁的车厢、轮船、飞机等大构件单件产品现场制造与装配等。
另外，可以设计出少自由度步行机器人，它每个腿上只有两个电机驱动，但是带一个腰，身体末端输出运动变成四维机构，只有13只电机，这样成本能降低很多。
机器人的基础部件
再讲讲基础部件。这是大家非常感兴趣，也是中国机器人产品开发的瓶颈。
第一个是六维力传感器，1995年、1997年在加拿大我就开始研究，98年获得863计划项目支持。我们提出用并联机构设计六维力传感器力敏元件，开发的六维力传感器，小的是手指头尖那么大，直径和高都是20毫米，六维力传感器已经成系列化商品。现在把传感器的信号处理全部放进去，出来的是数字信号，还可以无线通讯链接，所以对于服务机器人和打磨抛光、装配等机器人来说是很有用的感知部件。
另外，力-控单元是智能机器人的关键部件，把力、位置、减速器、伺服电机放在一起就是一个控制单元。工业机器人把这个单元一装上就能感知外部的力。我们把力矩传感器、编码器、谐波和国产电机做成一个复合单元，很轻，1.2公斤，一条腿要用3个，整个腿是4.5公斤。由于轻了，它机器人承载之中比高，力大体轻就能跳起来，但是落下来很危险，会破坏腿里的部件，所以要有力控。一个重要的问题是如何判断接触的刚度和阻尼，如果能够在线辨识，就能实现实时控制。
我一直有一个理想，我们的工业机器人能不能不用电机和减速器做驱动，也不要伺服阀，用机液耦合驱动器。工作原理是用液压放大电机功率，我们不用l伺服阀，用高压油进来以后电机直接控制螺旋阀芯。传统液压系统是电液耦合原理，该驱动器是机液耦合，好处是抗污染能力强，不用过滤，因为开口很大，都是毫米级的，开环精度也很高，能达到0.1毫米，不需要闭环。不像伺服阀是微米级的开口，易堵塞失效。
步行机器人的控制
下面重点讲一讲控制。步行机器人必须具有智能方能应用，其控制十分复杂的，比如六足步行器要18个电机，四足的也要16个电机，这无疑增加了控制复杂度。打个比方，人的手指头每一节是一个电机，一个手指头要4个电机，一只手臂加起来就是27个电机驱动。人为什么大脑发达？就是因为大脑用90%以上资源控制十个手指头，非常复杂。比如我拿一支笔，是用几个手指头拿？如果用两个，那么是哪两个？如果用三个或以上，排列就更多了。
这个例子就说明行为智能控制非常复杂，所以我们还要通过类脑控制系统来做这个事。大家都熟悉的Linux系统是实时的计算机系统，是机器人驱动底层软件平台，而ROS系统就是机器人操作系统的非实时通讯的平台，这两个软件是免费开放的。还有机器人类脑控制系统，即BROS系统，这个系统非常重要，如果足式机器人没有BROS系统实际是不能用的，所以今天足式机器人不能用的原因就是没有这个系统。
最近有一篇文章发表在国际机器人IJRR杂志上，总结美国国防部举行的DARPA救灾机器人挑战赛经验，认为步行机器人应该是人机交互和自律协同的控制模式。机器人没有需求，人有需求，机器人理解人的需求是很难的，就需要机器人通过人机交互的模式把信息传回去，比如用力反馈、用视觉、用语音告诉人，人再进行决策，再通过人机交互和网络告诉机器人，机器人收到信息以后自主完成。
研究机器人的行为需要模拟人。人的行为由躯体和灵魂构成，躯体是头、上身和下身，灵魂则分为性格和知识是两个方面，性格有欲望、情感、智力、体能，机器人能不能蹦起来就是体能。知识又有文化、意识、习俗、技艺等等。我的目的是想设计机器人的灵魂。
构建机器人拟人的行为系统是我们的长期任务。比如交互行为，扔一个凳子，机器人是有反应的，它觉得不安全它会跑。再比如跟踪人，走到哪儿跟到哪儿。最后是创新，机器人怎么设计机器人，这是最高层的，今天还做不到，但是制造行为是有的。这就是人机交互系统。
机器人行为分为构态、运动、轨迹特征。人机交互和机器人行为之间如何建立联系？我们叫人机交互与自律协同的智能控制。比如说任务来源，任务来源分外需和内需，外需就是人的需求，比如人要开门，就告诉机器人开门。但是内需很复杂，内需是机器人自己要有安全感，机器人的安全与速度有关，稳定感、饥饿感等。
任务和感知信息与机器人行为之间怎么建立联系，可以通过逻辑，用集合的方法来做。比如开门，用哪只手开，都是可以做逻辑判断的。也可以通过深度学习的方式做，从上到下，什么模型都不要，能做出来就好。但还可以通过建模的方式，建参数化模型，做出来以后轨迹末端和身体行为就都有了。
步行机器人的应用
应用主要有五个方面：
一是智能制造，主要是单件生产的系统。步行机器人的智能制造主要用于高铁、飞机、火箭、轮船、核电站、化工厂。机器人的腿要承载大、钢度好，要可以承载500多斤。还要粗精运动控制，前面加个并联头，提高机器人精度。还要有视觉避障系统，找到自己要去的地方，视觉要有标识或者有总的坐标系系统。
二是人机协作装配作业，多应用于核电站和船舶上。比如力学插孔，特别适合在高铁底下往上做，因为人一旦仰头做事是很难的，可以直接用力学机器人去操作。还可以做一些测量，用力学测量孔的轴心在哪里。
三是危险环境服役。例如太空任务，原来在月球着陆以后着陆器不能走，现在国家希望着陆行走一体化，而且是软着陆，即使在月球深坑也能起飞。飞行器也希望带腿，空军找到我们，说把无人机都加上腿，并且腿是能收回来的。将来飞机飞走了，腿还可以留在那儿，再加上太阳能还可以充电。
四是核电站探测与维护。起因是日本福岛核泄漏事件，我们写了一个报告，主要解决三个问题，一是现场探查，二是作业，三是重载清障。这个实验是全智能的过程，一是自主避障，二是踏障，三是上楼梯，四是下楼梯。
五是消防与救援。图中是消防机器人，可以做协作，有大的是喷水的，有小的自带灭火器。右上角是两个机器人协作，一个开门，一个灭火。机器人可以通过视觉找到火源，自觉灭火，我很看好这款机器人在安保救援方面的应用。采用一些防火材料，可以趟火过去，让机器人先进去，把一些化工厂的阀门关上，也是一种很好的做法。
步行机器人在安保、核电救灾、制造、装配、建筑等方面都可以进行应用，外空探测、航空航天，娱乐也是一个很好的行业，大家喜欢玩，可以玩载人，可以玩斗牛士等等。所以，未来市场需要大家创造。谢谢大家！