从《西部世界》谈起,仿生机器人十二问 | CCF-GAIR 2018

思颖 AI科技评论 2018-06-09

普渡大学副教授邓新燕结合自己的实际工作,分享了她在生物运动机理和仿生机器人的研究突破和最新进展。

《西部世界》第二季正在热映,剧中,科学家制造的仿生接待员不管说话还是动作都与人无异,更为恐怖的是,它们甚至拥有了自我意识。

从剧中延续到现实,今年五月,波士顿动力公司展示了双足机器人 Atlas 的最新进展,视频中,Atlas 不仅可以在户外环境下自由奔跑,而且能自主跨越障碍物。虽然 Atlas 进步很大,但不可否认的是,与《西部世界》中高度智能化的接待员相比,Atlas 就像一个刚出生的婴儿。

图:Atlas 跨越障碍物

目前,学界对仿生机器人的研究到了哪一阶段?在仿生机器人研究中,到底存在什么难点?与国外相比,国内有哪些较为领先的研究课题?围绕这一系列疑问,AI 科技评论对普渡大学副教授、普渡大学 Bio-Robotics Lab 实验室(主要研究生物的运动机理以及仿生机器人)负责人邓新燕进行了一次专访。

据邓新燕介绍,仿生机器人是一个多学科课题,涉及领域有材料、机电、控制、设计、力学,此外还要跟生物学研究相结合,比如生物的感知和运动控制。他们的研究对象主要是飞行类昆虫和鸟类,如蜂鸟、斑马雀、飞蛾、蜜蜂、苍蝇、果蝇等等,研究课题围绕扑翼飞行的飞行控制原理和非定常空气动力学展开,此外,他们的研究还涉及仿生鱼,另外也有将 AI 与仿生机器人结合的相关研究。

在 6 月 29 日至 7 月 1 日于深圳举办的 CCF-GAIR 2018 上,邓教授将作为仿生机器人专场主席莅临大会,邀请并组织多位国内外仿生机器人学的权威嘉宾做报告及演讲。

以下为采访原文:

1. 生物运动机理的研究对仿生机器人的研究有何促进作用?如何将生物运动机理的研究应用到仿生机器人研究中?

答:研究生物的运动机理可以为仿生机器人的设计和行动控制起到指导作用。比如,生物的翅膀扑动轨迹是有一定规律的,通过提取这些规律可以告诉我们那些因素会影响翅膀上产生的瞬时和平均升力,那些参数的变化可以实现特定的飞行控制比如悬停、前进、转弯、或加速。

应用的时候需要注意的是,仿生机器人是把从生物的运动机理中得到启发设计到机器人上,而不是盲目地从形态上模仿。比如,苍蝇的一对翅膀共有 12 对大肌群和 18 对小肌群,在机器人设计上我们不可能也没有必要去模仿每一个驱动环节,所以在研究如何产生升力、控制翅膀轨迹时,我们可以对主要肌群的影响因素进行研究,结合这些研究,实现简化飞行器设计的同时接近生物的飞行效果。

2. 在进行生物飞行研究时,昆虫的飞行与鸟类的飞行有何差异?而将它们的飞行机理应用于飞行系统时,各自的优劣在哪里?

答:同为扑翼飞行,昆虫和鸟类的空气动力学原理不同,前者需要翅膀的高频扑动,后者翅膀扑动频率可以很低。同时,鸟类的翅膀由于有骨骼肌肉,所以可以主动形变以实现瞬时的飞行控制,而昆虫的翅膀表面是不能主动控制形变的。最后,昆虫能悬停,其他大多数鸟类则不能,它们需要前进速度,这也是源自两者不同的空气动力学原理。蜂鸟则非常特殊,它兼具了鸟类和昆虫的优点,既能主动控制翅膀形变,又能像昆虫那样在飞行时悬停。需要注意的是,蜂鸟的翅膀扑动频率很高,类似昆虫比如天蛾。

这些生物的应用尺度和场景也不同。昆虫和蜂鸟可以在小空间悬停、机动灵活地转弯。其他鸟类因为需要有前进速度,所以需要更大的飞行空间。同理,它们各自的优势也取决于应用场景,在低速近距离小空间的场景下,可以参考昆虫和蜂鸟的飞行;需要远距离和较高速度的飞行时,可以参考其他鸟类。

3. 你们研制的扑翼飞行系统目前在稳定性和飞行控制上可以达到何种水平?其背后主要参考了哪些生物的运动?

答:目前我们研制的飞行系统可以姿态稳定地起飞、提升、和悬停,我们参考的生物有蜂鸟和昆虫 (果蝇、天蛾、蜜蜂、苍蝇等),我们会基于这类生物飞行机理的共性进行研究和应用。

4. 在飞行系统的设计中,除了参照生物的运动,你们还结合了哪些关键技术?为了研制出稳定的飞行系统,主要难点有哪些?外部因素如天气、飞行器的重量等对这一飞行系统的影响有多大?

答:涉及到的技术有机械结构设计(之后 3D 打印),飞控算法,电路设计,翅膀的形状和柔性的优化,翅膀制造工艺,翅膀的瞬时轨迹跟踪控制算法,电磁驱动器设计,电机驱动铰链关节的柔性刚度的优化,传感器融合等等。

我们的目标是实现有传感器反馈控制的自主飞行:首先实现翅膀的高频扑动以产生足够升力用于提升自重以及负载,继而实现瞬时的翅膀轨迹跟踪,最后实现机器人飞行姿态和位置的稳定,以及定点悬停和轨迹跟踪。

首先,如果不能实现翅膀的高频扑动,则不能悬停,这是由昆虫和蜂鸟这类生物特殊的非定常空气动力学决定的;其次是优化翅膀轨迹实现足够大的升力以克服自重和负载,以及提供足够的控制裕度做飞控;第三是需要高频控制,以及设计合理的控制算法来实现对欠驱动(underactuated)系统的控制。我们需要用两个电机(或自研发的两个电磁驱动器)来控制 6 个自由度;第四是高频振动系统的特殊难点,比如提取和融合高频振动下传感器的有效信号;此外还有系统结构的加工工艺、对称性及重复度,这些都会影响飞行控制效果。

外部因素如天气、风扰、下雨等会对微小尺度的扑翼飞行器造成影响。如果外界扰动在一定范围内,可以实现抗扰,比如我们最近的一个课题就发现扑翼飞行本身有着天然的抗风扰功能,目前实验结果已经验证了我们观察到的迁徙的帝王蝶在空气湍流层中的飞行表现。同行实验室的研究也发现蚊子翅膀的耐水性可以使它们在雨滴打到翅膀的时候不受太大影响。其次,从主动控制的角度讲,在一定范围内也可以用鲁棒控制的办法抗外扰。当然,如果风和雨大到了一定程度,飞行器也不能飞。在大风天和大雨天,在户外也看不到飞行的鸟和昆虫。

飞行器的重量是最需要考虑的因素,实现能悬停的扑翼飞行之所以存在很大挑战,就是因为需要产生足够的升力来提升自重以及克服负载的重量,在这上面加任何部件都需要考虑体积和重量,这也是在设计任何附加控制机构的时候需要考虑的问题。增加控制机构(比如伺服电机)会提高欠驱动系统的控制效果,但同时也增加了重量,所以这是个需要平衡的问题。总的来说,我们要用最简单最轻便的设计实现最大的升力和稳定灵活的飞行控制效果。

5. 你在 ICRA2017 上发表的两篇论文都跟蜂鸟机器人有关(Design optimization and system integration of robotic hummingbird,Geometric flight control of a hovering robotic hummingbird),蜂鸟机器人的发展历史如何,它借鉴了鸟类的哪些特征?您对蜂鸟机器人的研究主要集中于哪些方向?

图:蜂鸟

答:蜂鸟机器人最早要追溯到美国的 Aerovironment 公司在 2006-2011 年间成功研发的一款重 19 克、翼展 16.5 厘米、扑翼频率 30Hz 的仿生扑翼飞行器 Nanohummingbird,这款飞行器通过遥控操作,能实现悬停、前进飞行以及空翻。Nanohummingbird 的设计是用电机驱动一对耦合的翅膀以实现高频扑动而产生足够升力,然后加舵机(伺服电机)改变两边翅膀的弓角差以实现飞控。近年来有两三个实验室也成功地复制了这个设计。

借鉴鸟类的特征在于只靠一对扑翼翅膀控制飞行,没有尾翼。要想像蜂鸟一样能悬停,这必须靠足够高的扑动频率来实现。

扑翼飞行的最大优势是机动性和灵活性,这是靠左右翅膀的轨迹微差来实现的。为了体现扑翼飞行的独特优势,我们实验室的蜂鸟机器人或昆虫机器人采取的都是两边翅膀独立驱动和独立控制。我们的另一个特点是有自己特殊设计的能实现高频共振扑翼系统的电磁驱动器,以及耐久抗疲劳的扑翼系统。

6. 在前一篇论文中,你们对蜂鸟机器人做出了哪些设计上的优化和系统融合,效果如何?

答:对于微型飞行系统,每个子系统和部件都要轻便有效,系统整体的优化是难点,因为每个部件之间会相互影响,尤其是驱动机构和电池电路。而扑翼驱动和机构又非常特殊,我们的方法结合了独特的驱动设计和整机系统的优化,极大地提高了升重比(升力和重量的比例),是传统的对单个部件的优化不能达到的。实验结果是我们用三个扑翼飞行器基于不同的设计和优化,实现了起飞、悬停、和姿态稳定。

7. 在第二篇论文中,对蜂鸟机器人的飞行控制达到了何种程度,关键性的技术和难点有哪些?

答:扑翼系统体积小,升力产生机理复杂,具有很强的非线性和不确定性。翅膀的空气动力具有强烈周期性和震荡性,这既是扑翼的优势,同时也带来了对飞控的挑战。我们的这一控制算法有效利用了系统的几何特性,直接采取了非线性控制,有效提高了控制精度和运行范围,避免了传统方法依赖线性化的弊端。实验效果是在整机上实现了全局收敛的非线性几何控制,从而实现了姿态稳定控制。

8. 你们制造的仿生机械鱼性能如何?在研制过程中,需要克服哪些难点?

答:对于机器鱼,由于不需要考虑重力的问题(在水中可以设计实现重力和浮力相抵),所以我们将仿生鱼的驱动器、传感器、电池、摄像头等都实现了一体化。目前它有一个尾鳍和两个侧鳍,能自主跟踪一个简单的物体。

9. 目前仿生机器人(蜂鸟机器人、机械昆虫、机械鱼等)技术已经达到了何种水平?为了制造出像动物一样灵活或者比动物更加灵活的仿生机器人,还存在哪些难点?

答:仿生机器人目前已经有很多进步和成果了。

飞行类比如 Aerovironment 的 Nanohummingbird 和哈佛的 Robobee 是两个典型的例子。

水下机器鱼最早从九十年代中期 MIT 的 Robotuna 开始,之后出现越来越多的成功设计。

陆地上的四足机器人最典型的是 Boston Dynamics 的机器狗。

图:Boston Dynamics 机器狗

爬行类的包括蛇形机器人、蟑螂机器人,另外也有不少壁虎机器人。

对于飞行机器人来说,目前需要解决的是实现带有传感器反馈的自主飞行,以及考虑驱动器的电压和功耗等等。

对于系统来说,因为需要非常高的灵活度,这意味着对飞控的要求会非常高。飞行系统的左右翼必须非常对称,系统能达到的飞行效果还需要进一步提高。

由于这类定制化机器人的特殊性,作为大学实验室,我们还一直面临的挑战就是某些大型的或者特殊的实验设备跟不上,除了3D打印的部件,很多部件是手工加工出来的,导至加工出来的部件的标准化存在问题。有时候,实验室不像工业界那样,能做出非常精密的标准。而部件标准化会对系统整合以及飞控效果产生很大的提高。

10. 这些仿生机器人有哪些实际应用?在未来的应用前景如何?

答:飞行类仿生机器人体积小、能悬停、具有机动性和灵活性,这些特征使其可以应用于狭小空间和室内,可以利用它们在地震后的废墟、火灾现场、辐射区等特殊场景下进行搜救和侦查。陆地上的仿生机器人还可以用于各种地形以及进入地面以下的狭窄空间。水里的仿生机器鱼可以勘察沉船和水底生态等,举例来说我们目前用自研电机驱动的仿生鱼在运行时可以做到很安静,不会像螺旋桨那么嘈杂。

不论是海、陆、空,仿生机器人都有很广阔的应用前景。生物的特点是往复运动进行驱动,传统人工系统的特点是螺旋桨驱动。相对后者适用的高速和远距,前者更适用于小空间里对灵活性要求较高的场景。随着技术的进步,将来仿生机器人会应用到许多特定场合和传统的大型机器人、飞行器等到不了的空间。

11. 您在 2017 年提到,将人工智能用在行动机器人的研究领域还比较空白,目前大热的人工智能与行动机器人有哪些结合点?您是否有进行相关研究?

答:我刚从 ICRA2018 回来,现在开始有越来越多的实验室在把行动机器人与 AI 算法相结合。虽然无人驾驶汽车是一个典型的将行动机器人与人工智能结合的例子,但是除了无人驾驶,目前人工智能的最广泛的应用还是在于视觉和图像处理。其实各类行动机器人(飞行、陆地、水下等)都有与人工智能相结合的巨大潜力。尤其是仿生机器人本身就有许多可以跟 AI 相结合的方向。目前有几个实验室在做机器学习与机械臂控制相结合的工作,比如通过强化学习和模仿学习等算法来训练机械臂学习某种抓放功能。我们实验室目前在 AI 和机器人方向有几个科研课题,其中一个就是用生物和仿生机器人飞行的数据(身体的位置姿态和翅膀轨迹等等)结合机器学习来训练和改进蜂鸟机器人的飞控效果和快速适应环境和自身参数变化的能力。

12. 在您看来,国内在仿生机器人领域目前有哪些比较领先的研究?

答:相较前面提到的国外各种仿生机器人,国内在这方面的研究的起步稍晚一些,但是近年来有极大的增长。国内如北大的机器鱼和南航的机器壁虎都是非常成功和领先的例子,此外还有许多其他实验室的最新成果,这里就不一一举例了。

看完以上专访,大家势必对仿生机器人有了更多认识与了解。今年,邓教授将作为 CCF-GAIR 大会仿生机器人专场主席,邀请国内外知名专家教授来到这一论坛,展示该领域最新科研成果。她表示,论坛会涉及微尺度仿生机器人、水下机器人、爬行机器人、飞行机器人等多个方向。

欢迎大家来到 CCF-GAIR 2018 现场,与邓教授以及各位专家学者现场交流。我们也将会为高校学生提供若干张价值 3999 元的CCF-GAIR 2018大会门票。详情请访问:福利 | 同学,我有一张价值3999元的GAIR门票想送给你

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