奋力一投、击中目标!世界首款仿人投掷冰壶六足机器人亮相冬奥会

央广网上海2月18日消息(记者唐奇云)今天(18日)下午,一位特殊的机器人“选手”在“冰立方”进行了北京冬奥会首秀——冰壶投掷表演。只见它一双中“腿”支撑身体,一双后“腿”蹬踏起踏器,用一双前“腿”为双“手”控制冰壶的方向、移动与旋转速度,奋力一投,击中目标!

这位冰壶机器人“选手”由科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项支持,是世界上首款模仿人蹬踏、支撑滑行、旋转冰壶行为方式的六足冰壶机器人。今天的冰壶投掷表演中,该款机器人在“冰立方”连续6次击打冰壶,6击6中,成功完成表演任务。

冰壶14世纪起源于苏格兰,是当时人们时髦的运动方式,从1998年开始,冰壶被列为冬奥会正式比赛项目。冰壶运动被誉为“冰上国际象棋”,投掷队员半蹲在冰面上滑行,轻轻旋转冰壶控制出手方向;两名队友可以在冰壶前用特制的冰刷刷冰面,以控制方向和速度,非常考验参与者的体能和脑力。

那么,由人主导的冰壶比赛能否用机器人替代?2018年平昌冬奥会后,国际上出现了轮式冰壶机器人,它主要是通过轮子驱动前行的,和人投掷冰壶的行为还有所区别。

“人投掷冰壶时,一条腿支撑身体,另一条腿蹬踏起踏器,眼睛瞄准目标,手控制冰壶的速度和方向,是一个复杂的决策行为。”领衔冰壶机器人研究团队的上海交通大学机械与动力工程学院教授高峰介绍道,“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。”

冰壶比赛不仅是一次体能竞赛,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来训练机器人,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转化为人手的功能,实现抱壶和旋转壶的运动;中部双腿的膝盖和前部双腿的肘关节复合成四点接触冰面,形成人支撑腿的功能;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,在前部双腿具有在机器人滑行运动过程中二次掷壶来控制冰壶运动的方向、速度和角速度,实现精准投壶和击打功能。

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的影响明显,机器人要通过视觉和力觉检测信息,辨识冰面的摩擦特性,来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。

此外,六足冰壶机器人还能实现冰壶投掷运动的数字化,成为冰壶运动员日常训练器材,也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。

今天(18日)下午,一位特殊的机器人“选手”在“冰立方”进行了冬奥会首秀——冰壶投掷表演。只见它一双中“腿”支撑身体,一双后“腿”蹬踏起踏器,用一双前“腿”为双“手”控制冰壶的方向和移动与旋转速度,奋力一投,击中目标!

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