足式機(jī)器人領(lǐng)域取得重要研究成果

[本刊訊] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院高海波教授團(tuán)隊(duì)在野外足式機(jī)器人環(huán)境認(rèn)知學(xué)習(xí)與自主導(dǎo)航方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果于2023年5月10日發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）上。

足式機(jī)器人具有較靈活的運(yùn)動(dòng)性能和良好的地形適應(yīng)能力。然而，野外環(huán)境復(fù)雜多變，泥沙、冰雪、積水等非幾何障礙限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，提前感知地形的物理特征信息，如軟硬程度和摩擦系數(shù)等，變得尤為重要。

動(dòng)物可以通過(guò)對(duì)物理特征的提前感知去適應(yīng)不斷變化的地形環(huán)境。例如，小貓?jiān)谖ｋU(xiǎn)區(qū)域行走時(shí)會(huì)用腳輕輕地試觸地形，估計(jì)地面的承壓和附著能力；在后續(xù)行走過(guò)程中，可根據(jù)先前積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)具有相似視覺(jué)特征的地形進(jìn)行預(yù)估，并避開危險(xiǎn)區(qū)域，為足式機(jī)器人的環(huán)境認(rèn)知學(xué)習(xí)提供了諸多仿生學(xué)啟示。

然而，足式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類似的認(rèn)知行為面臨諸多挑戰(zhàn)：如何通過(guò)視覺(jué)和觸覺(jué)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)地形物理特征的有效表征？如何通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)和模型參數(shù)的聚類與映射匹配實(shí)現(xiàn)環(huán)境認(rèn)知？如何解決由于地面環(huán)境動(dòng)態(tài)變化造成的認(rèn)知沖突？

針對(duì)上述問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種足式機(jī)器人的環(huán)境物理特征類動(dòng)物學(xué)習(xí)方法。以法向/切向足地作用力學(xué)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于模型—數(shù)據(jù)的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)框架。首次提出了具有認(rèn)知沖突解決能力的增量式在線學(xué)習(xí)方法，使得機(jī)器人能夠通過(guò)視—觸覺(jué)融合感知自主識(shí)別環(huán)境物理特征信息。此外，還開展了豐富的室內(nèi)外感知和導(dǎo)航試驗(yàn)，證明該方法可以有效助力足式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)地面物理特征感知與預(yù)測(cè)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境中學(xué)習(xí)和調(diào)整其認(rèn)知模型，最終安全執(zhí)行復(fù)雜的導(dǎo)航避障任務(wù)。

相關(guān)成果提供了一種物理智能系統(tǒng)的典型案例，未來(lái)有望應(yīng)用于足式等復(fù)雜環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人的自主星球探測(cè)、野外救援等研究領(lǐng)域。

（馨 婭）