谷歌旗下波士頓動(dòng)力研發(fā)的機(jī)器狗BigDog自誕生以來(lái),受到不少關(guān)注。在國(guó)內(nèi),山東大學(xué)也在研發(fā)一款類似BigDog的四足機(jī)器人。山東大學(xué)機(jī)器人研究中心是在原山東大學(xué)自動(dòng)化研究所的基礎(chǔ)上,通過(guò)引進(jìn)留學(xué)歸國(guó)人員、國(guó)內(nèi)和校內(nèi)機(jī)器人和數(shù)控研究人才,于2003年建立起來(lái)的從事機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的研究機(jī)構(gòu),也是我國(guó)機(jī)器人研究和應(yīng)用的重要單位。山大機(jī)器人研究中心十年來(lái)一直專注于四足機(jī)器人的自主研制,雖與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距,但在國(guó)內(nèi)已屬于領(lǐng)先的位置。

歷時(shí)近十年

造出山東版“機(jī)器狗”

2006年左右,美國(guó)波士頓動(dòng)力發(fā)布四足機(jī)器人BigDog視頻,視頻中美國(guó)大兵一腳踹向機(jī)器狗,機(jī)器狗通過(guò)幾個(gè)靈活的交叉步調(diào)節(jié),很快保持住了平衡。“看到交叉步時(shí),視覺(jué)沖擊很大,而當(dāng)我知道BigDog是由液壓驅(qū)動(dòng)時(shí),受到的沖擊更大,液壓系統(tǒng)怎么可能響應(yīng)這么快?”當(dāng)年剛研究生畢業(yè)的柴匯,想起美國(guó)波士頓動(dòng)力發(fā)布的BigDog視頻,還難以掩飾當(dāng)時(shí)的震驚。

據(jù)悉,平常大家司空見(jiàn)慣的挖掘機(jī)或者大型工程機(jī)械,都是使用液壓系統(tǒng),動(dòng)作慢,反應(yīng)遲鈍。但是“大狗”反應(yīng)卻非常靈活,這讓包括柴匯在內(nèi)的山大機(jī)器人研究中心團(tuán)隊(duì),對(duì)液壓系統(tǒng)的認(rèn)知概念全都顛覆了。“原來(lái)液壓系統(tǒng)也可以做這么精密靈巧的事情,高速發(fā)展的伺服液壓系統(tǒng)給驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人技術(shù)帶來(lái)革命性的變化,這是負(fù)重型的四足機(jī)器人的核心技術(shù)。”山東大學(xué)博士柴匯介紹。

2007年,山大機(jī)器人研究中心開(kāi)始對(duì)伺服液壓系統(tǒng)進(jìn)行理論需求分析、設(shè)計(jì)論證等,涉足四足機(jī)器人研究領(lǐng)域。2010年,團(tuán)隊(duì)做出第一臺(tái)室內(nèi)樣機(jī)。近10年的時(shí)間,該團(tuán)隊(duì)持續(xù)研究四足機(jī)器人,國(guó)內(nèi)已屬領(lǐng)先水平。“目前,從技術(shù)評(píng)價(jià)上來(lái)講國(guó)內(nèi)領(lǐng)先,在國(guó)際上也享有一定的知名度和地位。”柴匯說(shuō)。

部分四足機(jī)器人

已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化

柴匯不否認(rèn)當(dāng)時(shí)自己對(duì)于四足機(jī)器人研究的悲觀態(tài)度。“10年前,李貽斌老師提出,‘我們要搞出具備高動(dòng)態(tài)平衡能力的面向野外應(yīng)用的四足平臺(tái)’,但當(dāng)時(shí)我們都認(rèn)為這是不可能完成的事情,最初團(tuán)隊(duì)里也只有包括李老師在內(nèi)的兩個(gè)老師咬緊牙關(guān)堅(jiān)持開(kāi)展這方面的研究。”柴匯介紹,李貽斌是山東大學(xué)機(jī)器人研究中心的主任、教授和博士生導(dǎo)師,在四足機(jī)器人研發(fā)的過(guò)程中,他推動(dòng)團(tuán)隊(duì)潛質(zhì)進(jìn)行最大程度的發(fā)揮,面對(duì)世界性的技術(shù)難題也從不退步。

“后來(lái),團(tuán)隊(duì)成員越來(lái)越多,連續(xù)10年,我們一直在努力改進(jìn)。雖然跟美國(guó)相比有一定差距,但我們做到了當(dāng)年認(rèn)為不可能,至少我自己認(rèn)為是不可能的事情。”柴匯說(shuō)。

山大機(jī)器人研究中心的四足機(jī)器人中,小型的面向科研教育的平臺(tái)Billy已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。Billy的運(yùn)動(dòng)能力是國(guó)內(nèi)同級(jí)別同尺寸機(jī)器人所無(wú)法比擬的,無(wú)論是平衡性、坡度訓(xùn)練,還是適應(yīng)能力方面。但由于成本較高,主要是面向科研教育,兒童可以跟它對(duì)話、講故事,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的陪伴功能。機(jī)械狗上的高動(dòng)態(tài)伺服壓作動(dòng)技術(shù),已在其他一些領(lǐng)域得到應(yīng)用。　　

野外施工建設(shè)時(shí)

可代替車(chē)輛搞運(yùn)輸

說(shuō)到四足機(jī)械,中國(guó)歷史上并非沒(méi)有類似裝置。傳說(shuō)三國(guó)時(shí)期的木牛流馬,是蜀漢丞相諸葛亮發(fā)明的運(yùn)輸工具,分為木牛與流馬。由于出蜀多山地,艱險(xiǎn)難行,常規(guī)車(chē)馬運(yùn)輸不便,而前線大軍消耗極大,糧草多賴漢中供給,諸葛亮因此發(fā)明木牛流馬。柴匯分析,雖然古時(shí)的木牛流馬是用車(chē)輪行走還是腿行走至今沒(méi)有統(tǒng)一的觀點(diǎn),但是山地運(yùn)輸?shù)睦щy與重要性,以及人們對(duì)機(jī)械腿足運(yùn)載工具的渴望,可見(jiàn)一斑。

而現(xiàn)代的四足機(jī)器人,最初的功能也是車(chē)輛功能。在人力改造過(guò)的環(huán)境,比如城市,由于道路平坦,四足機(jī)器人很難派上用場(chǎng)。但是,在野外進(jìn)行施工建設(shè)時(shí),需要工程機(jī)械進(jìn)入。這時(shí),為提高運(yùn)輸物資的效率,需要機(jī)器人在崎嶇惡劣沒(méi)有路的條件下,代替車(chē)輛進(jìn)行運(yùn)輸。比如,特殊情況下,工程機(jī)械在進(jìn)行運(yùn)作時(shí),需要燒油,燃料的運(yùn)輸是大問(wèn)題,燃油只能靠著人力運(yùn)輸,三班倒,不眠不休。而現(xiàn)在研發(fā)的四足機(jī)器人,一次性可以扛載150多公斤,而一桶燃料也就20公斤左右,在崎嶇惡劣的條件下,一個(gè)機(jī)器人就相當(dāng)于四五個(gè)人的運(yùn)力。

四足機(jī)器人在進(jìn)行運(yùn)輸時(shí),本身自己也要克服惡劣的環(huán)境,具備避障、識(shí)別不同地面軟硬度和起伏度的功能,以及保持運(yùn)動(dòng)中的平衡,包括在摔倒后運(yùn)動(dòng)的自我恢復(fù),所以,又需要具備一定的智能性。“大型的四足機(jī)器人實(shí)際上是一種特殊的車(chē)輛,不過(guò)是以機(jī)器人的形式出現(xiàn),但又不同于以往概念中的機(jī)器人。它某種程度上代替的是車(chē)輛功能,而非人的功能。”柴匯說(shuō)。

除了發(fā)動(dòng)機(jī)外

全都自主研發(fā)

據(jù)柴匯介紹,山大機(jī)器人研究中心自主研發(fā)設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人延續(xù)了中國(guó)制造比較典型的特點(diǎn),針對(duì)實(shí)際問(wèn)題去解決,路線和方法跟國(guó)外研究有所不同。跟美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比,還存在一定的差距,這也是中國(guó)制造面臨的通病和短板。

中國(guó)以仿制和逆向工程起家,通過(guò)對(duì)別人零部件的參考進(jìn)行研究,但是其中原理性、定量性的要求,一些國(guó)產(chǎn)的零部件較難具備。尤其是大的機(jī)器人,隨著技術(shù)的發(fā)展,伺服液壓系統(tǒng)中對(duì)液壓的控制更加精密,響應(yīng)也更加靈活。但是,包括零部件技術(shù)、伺服液壓缸、伺服閥等,國(guó)內(nèi)的技術(shù)跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后。“國(guó)產(chǎn)的機(jī)器基本功能可以達(dá)到,但是響應(yīng)速度和精密上要差一些。”柴匯分析。

山大機(jī)器人研究中心研發(fā)制造的四足機(jī)器人,除發(fā)動(dòng)機(jī)外,都屬自主研發(fā)。核心技術(shù)的零部件性能,基本能實(shí)現(xiàn)發(fā)達(dá)國(guó)家性能的60%-80%。“基于這樣的零部件水平,通過(guò)我的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法,把它們整合在一起后,能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短,使整機(jī)性能達(dá)到指標(biāo)要求,是一個(gè)很大的技術(shù)難題。”柴匯說(shuō),想要在指標(biāo)上和性能上滿足要求,是很困難的事情,需要反復(fù)不斷的嘗試,“我們遇到的最大困難,就是不斷實(shí)驗(yàn)時(shí),那種失敗的挫折感。”尤其是挫敗感襲來(lái)時(shí),美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家恰巧又把最新的研究視頻放出來(lái),“那種感覺(jué),真是難以形容,沒(méi)有對(duì)比就沒(méi)有傷害。”柴匯說(shuō)。

作為新生事物

還有很長(zhǎng)的路要走

2015年底,美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)決定棄用波士頓動(dòng)力的四足機(jī)器人LS3平臺(tái)。該平臺(tái)最初是由美國(guó)軍方和波士頓動(dòng)力合作研發(fā),波士頓動(dòng)力將其研發(fā)出之后,進(jìn)行了一系列測(cè)試,比如用于2014年的環(huán)太平洋軍事演習(xí)。但之后,美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)話鋒一轉(zhuǎn),稱由于噪音太大決定棄用,引發(fā)質(zhì)疑。

后來(lái),山大機(jī)器人研究中心開(kāi)始深入研究此事,才發(fā)現(xiàn)噪音僅是部分原因,更重要的是,這種機(jī)器人與步兵的協(xié)調(diào)性及戰(zhàn)場(chǎng)上的維護(hù)性都存在困難。這一點(diǎn)柴匯和團(tuán)隊(duì)也深有體會(huì),山大機(jī)器人研究中心目前的大型四足機(jī)器人,光凈重便達(dá)131公斤,加上燃油、測(cè)試系統(tǒng)等,重量便高達(dá)150公斤以上。

“一旦出問(wèn)題,尤其是在室外的山坡上、爛泥里測(cè)試,直接讓人抓狂。機(jī)器與人之間協(xié)同和溝通的能力,體現(xiàn)出來(lái)的這類技術(shù),即使是在美國(guó),它目前也是不成熟的,作為一個(gè)新生事物,它需要克服重重困難。”柴匯介紹,四足機(jī)器人在應(yīng)用時(shí),與人類的磨合期也是剛剛開(kāi)始。而四足機(jī)器人的保養(yǎng)和維護(hù)也非常重要。柴匯說(shuō),山大機(jī)器人研究中心的四足機(jī)器人,在野外頻繁進(jìn)行測(cè)試的情況下使用四五個(gè)小時(shí)后就得保養(yǎng),最長(zhǎng)十個(gè)小時(shí)也得保養(yǎng)一次,而保養(yǎng)一次就需要四五個(gè)人用四五個(gè)小時(shí)才能完成。

“火車(chē)剛發(fā)明出來(lái)時(shí)也跑不過(guò)馬車(chē),作為新生事物,四足機(jī)器人有很長(zhǎng)的路要走,人們對(duì)它的認(rèn)知也有一個(gè)過(guò)程。”柴匯說(shuō)。

[責(zé)任編輯：楊凡、董迪]

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