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2月18日下午，一位特殊的機(jī)器人“選手”在“冰立方”進(jìn)行了冬奧會(huì)首秀：冰壺投擲表演。只見(jiàn)它一雙中“腿”支撐身體，一雙后“腿”蹬踏起踏器，用一雙前“腿”為雙“手”控制冰壺的方向和移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)速度，奮力一投，擊中目標(biāo)！

這位冰壺機(jī)器人“選手”是在科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)支持下，由上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教授高峰領(lǐng)銜，上海交通大學(xué)與上海智能制造功能平臺(tái)有限公司組成的六足冰壺機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的，是世界上首款模仿人蹬踏、支撐滑行、旋轉(zhuǎn)冰壺行為方式的六足冰壺機(jī)器人。

▲冰壺機(jī)器人在冰立方表演

世界首款模仿人投擲冰壺的六足機(jī)器人

冰壺比賽不僅是一次體能競(jìng)賽，也是一場(chǎng)智力博弈。因此，研究團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)人投擲冰壺的行為特征來(lái)訓(xùn)練機(jī)器人，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人的行為決策方式。在投擲冰壺過(guò)程中，六足機(jī)器人前部雙腿轉(zhuǎn)化為人手的功能，實(shí)現(xiàn)抱壺和旋轉(zhuǎn)壺的運(yùn)動(dòng)；中部雙腿的膝蓋和前部雙腿的肘關(guān)節(jié)復(fù)合成四點(diǎn)接觸冰面，形成人支撐腿的功能；后部雙腿蹬踏起踏器，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)機(jī)器人加速滑行的功能，另外，在前部雙腿具有在機(jī)器人滑行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中二次擲壺來(lái)控制冰壺運(yùn)動(dòng)的方向、速度和角速度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投壺和擊打功能。

“人投擲冰壺時(shí)，一條腿支撐身體，另一條腿蹬踏起踏器，眼睛瞄準(zhǔn)目標(biāo)，手控制冰壺的速度和方向，是一個(gè)復(fù)雜的決策行為。怎樣根據(jù)人投擲冰壺的行為特征，設(shè)計(jì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；如何根據(jù)視覺(jué)與力覺(jué)測(cè)量的信息，辨識(shí)冰面與機(jī)器人接觸的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而預(yù)測(cè)機(jī)器人滑行和冰壺運(yùn)動(dòng)的軌跡；如何根據(jù)人類(lèi)投擲冰壺的決策方法來(lái)控制機(jī)器人的行為，這些都是我們開(kāi)發(fā)六足冰壺機(jī)器人遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)。”高峰介紹說(shuō)。

人類(lèi)用手控制冰壺的方向和旋轉(zhuǎn)速度、一條腿的足支撐身體、另一條腿蹬踏起踏器——上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人具備人類(lèi)投擲冰壺的這三種行為功能，和人投擲冰壺時(shí)手和雙足的分工非常一致。這是世界上首次出現(xiàn)模仿人蹬踏、支撐滑行、旋轉(zhuǎn)冰壺等行為方式的六足冰壺機(jī)器人。

為奧運(yùn)選手加油，在冬奧會(huì)冰壺賽場(chǎng)表演

冰壺14世紀(jì)起源于蘇格蘭，是當(dāng)時(shí)人們時(shí)髦的運(yùn)動(dòng)方式，從1998年開(kāi)始，冰壺被列為冬奧會(huì)正式比賽項(xiàng)目。冰壺運(yùn)動(dòng)被譽(yù)為“冰上國(guó)際象棋”， 投擲隊(duì)員半蹲在冰面上滑行，輕輕旋轉(zhuǎn)冰壺控制出手方向；兩名隊(duì)友可以在冰壺前用特制的冰刷刷冰面，以控制方向和速度，非常考驗(yàn)參與者的體能和腦力。由人主導(dǎo)的冰壺比賽能否用機(jī)器人替代？2018年平昌冬奧會(huì)后，國(guó)際上出現(xiàn)了輪式冰壺機(jī)器人，它主要是通過(guò)輪子驅(qū)動(dòng)前行的，和人投擲冰壺的行為還有所區(qū)別。

▲機(jī)器人尋找起踏器從站立轉(zhuǎn)換成投壺狀態(tài)

投擲冰壺動(dòng)作結(jié)束后，機(jī)器人從投擲冰壺的構(gòu)態(tài)轉(zhuǎn)換成站立構(gòu)態(tài)，可以進(jìn)行冰面行走和尋找起踏器。

▲機(jī)器人從投壺轉(zhuǎn)換成站立和行走狀態(tài)

冰面的粗糙度和摩擦特性受冰面的制作和使用時(shí)間長(zhǎng)短的影響明顯，機(jī)器人要通過(guò)視覺(jué)和力覺(jué)檢測(cè)信息，辨識(shí)冰面的摩擦特性，來(lái)建立機(jī)器人和冰壺的動(dòng)力學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特征規(guī)劃和精準(zhǔn)的冰壺投擲、擊打。

▲機(jī)器人投壺至大本營(yíng)

▲機(jī)器人擊打冰壺出大本營(yíng)

這款機(jī)器人在冬奧會(huì)冰壺比賽期間進(jìn)行了投擲冰壺表演，為奧運(yùn)選手加油鼓勁。

可當(dāng)“陪練員”，還能打“人機(jī)”冰壺賽

六足冰壺機(jī)器人能模仿人投擲冰壺的行為，具有視覺(jué)和力覺(jué)感知能力，能實(shí)現(xiàn)冰壺投擲運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化，成為冰壺運(yùn)動(dòng)員日常訓(xùn)練器材，也可以輔助運(yùn)動(dòng)員投擲冰壺的決策與規(guī)劃，給運(yùn)動(dòng)員當(dāng)陪練員。在冰壺比賽間歇，冰壺機(jī)器人或人機(jī)競(jìng)賽進(jìn)行的投擲冰壺表演，也能給冰壺比賽增添不少樂(lè)趣，讓更多人喜歡上冰壺運(yùn)動(dòng)，并激發(fā)青少年對(duì)科創(chuàng)的興趣。

來(lái)源：上海交通大學(xué)

通訊員：齊臣坤、江倩倩

編輯：王鑫偉

責(zé)任編輯：金雪

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冬奧會(huì)加油！