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騰訊 Robotics X 實驗室推出其第五代機(jī)器人,可在真實人居環(huán)境中完成行走、搬運(yùn)物體等動作

2024-09-25 09:23 IT之家
關(guān)鍵詞:騰訊機(jī)器人

導(dǎo)讀:騰訊 Robotics X 實驗室公布了其機(jī)器人最新研究成果 —— 人居環(huán)境機(jī)器人“5 號”(The Five,小五)。

  9 月 24 日消息,騰訊 Robotics X 實驗室公布了其機(jī)器人最新研究成果 —— 人居環(huán)境機(jī)器人“5 號”(The Five,小五)。

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  據(jù)介紹,小五具備一系列創(chuàng)新技術(shù)和能力,目標(biāo)是成為可以與人居環(huán)境和諧相處的通用機(jī)器人。實驗表明,小五可在真實人居環(huán)境中完成行走、搬運(yùn)物體等動作,例如給老人取快遞、抱老人起床等。

  騰訊表示,小五集合了此前多代機(jī)器人研發(fā)的核心能力,融合了四腿輪足復(fù)合設(shè)計、大面積觸覺皮膚、多指靈巧手以及安全人機(jī)物理交互等多項自研技術(shù)。IT之家附規(guī)格如下:

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  本體設(shè)計兼容并蓄:四腿輪足復(fù)合設(shè)計,讓機(jī)器人走得更快更穩(wěn)

  與此前的機(jī)器人最大的不同之處在于,小五在本體上采用了四條直線腿和輪足復(fù)合的設(shè)計,既保持了足式機(jī)器人的越障能力,也保持了輪式機(jī)器人運(yùn)行的效率,讓機(jī)器人在平地上有更快的速度。

  在運(yùn)動模態(tài)方面,它在平地上可以切換四輪模態(tài)、兩輪模態(tài)運(yùn)動;在四輪模態(tài)下可以根據(jù)不同的負(fù)載需求和環(huán)境空間,通過交叉腿的設(shè)計,擴(kuò)大和縮小支撐空間。

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  在不平整地形上,小五使用可伸縮的直線腿配合主動力控,實現(xiàn)彈簧懸掛的效果,從而保證上半身平穩(wěn)。在樓梯和馬路牙子等場景,小五可以采用輪足復(fù)合的形式,順利走過去。

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輪腿足的組合變換

  負(fù)載能力上,小五通過直線腿設(shè)計有效提升承載能力,每條直線腿可以單獨(dú)伸長縮短,可以根據(jù)不同的作業(yè)空間需求,調(diào)整支撐高度,從而實現(xiàn)“上摸高、下摸地”的廣闊作業(yè)空間,例如幫助用戶取放高處的物品,或者在低矮的空間中操作。

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自主折疊

  除了運(yùn)動模態(tài)和負(fù)載能力,小五還可以自主折疊與展開,當(dāng)不需要工作時,小五可以自主折疊起來,減少占用空間,方便運(yùn)輸。

  除了形態(tài)創(chuàng)新之外,根據(jù)腰部大負(fù)載的需求,小五采用自研的雙編碼器大扭矩密度的執(zhí)行器,讓機(jī)器人能夠更有力量,同時也在手臂上部署了自研的具有 180 個檢測點(diǎn)的大曲面覆蓋觸覺皮膚,這使得小五能夠擁有更加敏銳的“感官”,可以根據(jù)外界環(huán)境的變化作出相應(yīng)的反應(yīng)。

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【左】大扭矩密度的執(zhí)行器【右】大面積曲面觸覺皮膚

  統(tǒng)一的控制框架:更強(qiáng)的感知、更靈活的控制

  面對人居環(huán)境中多樣復(fù)雜的任務(wù),小五需要具備兼顧靈敏的移動能力和靈巧的操作能力,這對機(jī)器人的控制提出了較高的要求。

  小五基于統(tǒng)一的控制框架,通過感知環(huán)境信息實現(xiàn)地形識別和精準(zhǔn)定位,進(jìn)而實現(xiàn)了對多地形的自主適應(yīng),移動與操作一體化的全身運(yùn)動控制,及各模態(tài)下穩(wěn)定、高效、靈敏的移動能力。

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統(tǒng)一的控制系統(tǒng)框圖

  小五統(tǒng)一框架大致分為三個模塊,首先是大范圍復(fù)雜環(huán)境下高精度視覺感知定位和狀態(tài)估計,騰訊 Robotics X 實驗室基于激光雷達(dá)和 IMU 等傳感器搭建了一套高頻、低延遲、高精度的實時在線定位和建圖(SLAM)系統(tǒng),并與輪足復(fù)合里程計進(jìn)一步融合,可以讓小五更好地感知環(huán)境和自身狀態(tài)。

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養(yǎng)老院室內(nèi)外場景定位建圖結(jié)果

  其次是多層級(路徑級-軌跡級)的在線運(yùn)動規(guī)劃,小五可以利用激光雷達(dá)和 RGBD 相機(jī)等傳感器數(shù)據(jù),實時檢測周圍環(huán)境中的動靜態(tài)障礙物,并在線規(guī)劃最優(yōu)路徑和控制指令,避免碰撞和意外發(fā)生,確保在復(fù)雜環(huán)境中安全高效地完成任務(wù),比如攜人推輪椅主動避障。

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  推輪椅過程中攜人避障

  最后是面向多地形適應(yīng)移動操作一體化的全身運(yùn)動控制。如遇到有障礙的地形,比如人居環(huán)境中常見的樓梯,小五會移動到樓梯附近,將自身模態(tài)由四輪運(yùn)動模態(tài)調(diào)整到四足站立模態(tài),進(jìn)而通過樓梯地形。上樓梯過程中,小五可以結(jié)合周邊精確的臺階地形和自身狀態(tài)估計,會規(guī)劃出在臺階上可達(dá)的落腳點(diǎn)位置,生成一系列的后續(xù)時刻質(zhì)心軌跡。隨后,全身運(yùn)動控制器會根據(jù)機(jī)器人的全身動力學(xué)模型、質(zhì)心軌跡和落腳點(diǎn)信息,解算出各關(guān)節(jié)控制指令,控制小五上樓梯。上完樓梯后,小五可以從四足邁步模態(tài)切換回四輪運(yùn)動模態(tài),方便以更加高效、節(jié)能的姿態(tài),在平地上完成其他復(fù)雜、多樣的任務(wù)。

  進(jìn)一步地,小五具備有腿部主動力控能力,這一能力類似于汽車的主動懸掛功能,能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形,如平地、斜坡、波浪坡、鵝卵石地面等常見家庭和市政地形,無需對現(xiàn)有的人類居住環(huán)境進(jìn)行改造。在該模式下,小五根據(jù)力傳感器和輪足里程計實時估算地面接觸點(diǎn),利用自適應(yīng)阻抗控制和全身運(yùn)動控制算法使得機(jī)器人可以適應(yīng)不同地形,且關(guān)節(jié)控制模塊中采用自適應(yīng)無模型摩擦補(bǔ)償算法實時補(bǔ)償摩擦力,使得它可以在低速和高速時平滑運(yùn)動,提升力控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

  安全多模態(tài)人機(jī)物理交互:讓機(jī)器人更加親切

  依托觸覺和視覺感知,以及識別、規(guī)劃和控制算法,小五能夠與人類進(jìn)行安全舒適的物理交互,并準(zhǔn)確地理解、預(yù)測并滿足人類的日常行動需求,例如輔助老人行走和坐立等。

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人機(jī)物理交互輔助老人起身

  以抱扶為例,為了幫助老人完成這一日常動作,小五需要綜合考量老人從坐到站運(yùn)動過程的特點(diǎn)、老人的身體狀態(tài)(如運(yùn)動能力及物理需求)、小五本身的物理能力等問題。

  為了實現(xiàn)這一目標(biāo),騰訊 Robotics X 實驗室提出了機(jī)器人抱扶過程最優(yōu)控制模型。該模型考慮了老人本身的運(yùn)動能力(如關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍、驅(qū)動能力等)、身體結(jié)構(gòu)(如身高、體重等)、站立過程的運(yùn)動特性、機(jī)器人抱扶過程的負(fù)載分布等因素。

  此外,為了使該模型更符合老人個性化的運(yùn)動特性,團(tuán)隊通過采集了少量老人的抱扶數(shù)據(jù),讓模型從中學(xué)習(xí)出符合被抱扶老人的最優(yōu)模型參數(shù),從而使該模型更符合老人被抱扶站立的運(yùn)動特性。

  此外,多模態(tài)感知系統(tǒng)也是實現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵模塊之一,它為小五賦予了類似人類的感知能力,使其能夠更精準(zhǔn)地識別人類和復(fù)雜的人居環(huán)境。

  據(jù)騰訊介紹,在這些感知模塊中,視覺和觸覺系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色。視覺系統(tǒng)使小五能夠快速定位和識別人類的狀態(tài),從而更有效地進(jìn)行交互和響應(yīng)。

  在抱扶老人的過程中,高分辨率的觸覺系統(tǒng)能夠幫助小五以更安全和精確的方式提供支持和輔助,有效避免對老人造成不必要的壓力或傷害。這些技術(shù)的整合不僅提高了小五的功能性,也增強(qiáng)了其在實際操作中的敏感性和人性化表現(xiàn)。