這是一款輪腿式機(jī)器人Ollie，別名“輪滑小子”。其擁有感知接觸能力，可感知并識(shí)別包括觸碰位置、觸碰軌跡、觸碰力度、觸碰方式等在內(nèi)的來(lái)自外界的接觸信息，并作出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。

同時(shí)，它還具有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)能力，不僅能夠靈活地完成雙輪邁步，還能完成用頭部操控球形物體，用下半身確保穩(wěn)定行駛的高難度搬運(yùn)任務(wù)。

完成高難度搬運(yùn)任務(wù)

新增觸覺(jué)傳感器,豐富機(jī)器人感知世界的能力

智能機(jī)器人智能觸控系統(tǒng)的工作原理

正如人類(lèi)在與環(huán)境的互動(dòng)中需要五種基本感官——視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)——共同發(fā)揮作用，機(jī)器人要想擁有更高的感知世界并與之互動(dòng)的能力，僅僅提高視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)水平是不夠的，其觸覺(jué)水平的提高也同樣重要。

觸覺(jué)水平提高的機(jī)器人會(huì)對(duì)人類(lèi)更加有用。比如，幫人們打開(kāi)一個(gè)瓶子而不會(huì)打破它。此外，高性能的觸覺(jué)傳感器還可以幫助機(jī)器人為人類(lèi)提供包括物體形狀、重量、剛度等在內(nèi)的一些關(guān)鍵信息。

Ollie所搭載的觸覺(jué)傳感器是清華大學(xué)集成電路學(xué)院聯(lián)合Robotics X實(shí)驗(yàn)室共同的具有高靈敏度、超大壓力檢測(cè)量程、超快響應(yīng)速度柔性壓阻薄膜，集成定制化的高空間分辨率、高速信號(hào)采集模塊硬件系統(tǒng)，使機(jī)器人的觸覺(jué)水平在機(jī)器人智能控制、人機(jī)交互方面達(dá)到了新高度。

同時(shí)，在觸覺(jué)傳感器硬件電路的研制中，團(tuán)隊(duì)在4英寸柔性聚酰亞胺襯底上研制出的64×64柔性晶體管基陣列電路，該陣列電路是基于單壁碳納米管的薄膜晶體管有源矩陣，同自主研制的壓阻薄膜集成，構(gòu)建了空間分辨率0.9毫米（相當(dāng)于每英寸28.2像素）高密度觸覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

相關(guān)論文以《用于靈敏智能機(jī)器人觸覺(jué)感知的大規(guī)模集成柔性觸覺(jué)傳感器陣列》為題已被納米科技領(lǐng)域國(guó)際頂刊ACS Nano所接收。

一般來(lái)說(shuō)，柔性壓力傳感主要有三種類(lèi)型：壓電式、電容式和壓阻式。這種觸覺(jué)傳感器屬于壓阻式傳感器，有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信號(hào)讀取方便、檢測(cè)范圍廣、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

在該領(lǐng)域中，采用了碳納米管、納米纖維等復(fù)合導(dǎo)電納米材料和聚合物彈性體合成壓阻薄膜最為先進(jìn)，但是，由于導(dǎo)電納米材料很難均勻地分散在彈性體中，所形成的聚合物彈性體合成壓阻薄膜通常有著壓力靈敏度相對(duì)較低（尤其是在＞1000kPa的高壓范圍）的缺點(diǎn)。

在從硅處理晶片上剝離之前與之后的具有64×64 CNT TFT的有源矩陣的照片

盡管有其他研究通過(guò)將表面處理成金字塔等各種微結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)其靈敏度，但由于這些微結(jié)構(gòu)在壓力下容易變形，所以這些方法均效果不佳。

采用了MWCNTs/TPU的高性能聚合物彈性體合成壓阻薄膜的結(jié)構(gòu)表征

該研究小組采用了碳納米管導(dǎo)電納米材料和聚合物彈性體合成壓阻薄膜，各項(xiàng)性能指標(biāo)均高于目前國(guó)際產(chǎn)學(xué)研水平，靈敏度最高可至385kPa-1，響應(yīng)速度為3ms/5ms，檢測(cè)范圍達(dá)到1400kPa，并表現(xiàn)出優(yōu)異的線性度，更重要的是，它的可循環(huán)性十分出色，超過(guò)3000次循環(huán)表現(xiàn)也不會(huì)惡化，非常適合產(chǎn)品化。

各個(gè)參數(shù)的聚合物彈性體合成壓阻薄膜薄膜系列表現(xiàn)出不同的特征，可廣泛應(yīng)用于不同的觸覺(jué)場(chǎng)景，良好的線性度進(jìn)一步降低了軟件運(yùn)算難度。

使用氦離子顯微鏡和共聚焦激光掃描顯微鏡，對(duì)該材料進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析后可以發(fā)現(xiàn)，新的聚合物彈性體合成壓阻薄膜之所以有如此出色的壓力傳感性能，是因?yàn)樵摼酆衔飶椥泽w合成壓阻薄膜頂部表面，具有自形成碳納米管包覆型微結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，該觸覺(jué)傳感器可以準(zhǔn)確檢測(cè)蜜蜂的足跡以及人類(lèi)手腕的脈搏。此外，通過(guò)集成64×64壓力傳感器陣列和基于憶阻器的內(nèi)存計(jì)算芯片，研究人員還制作了有著信號(hào)傳感和識(shí)別能力的智能觸覺(jué)系統(tǒng)原型，后者在手寫(xiě)數(shù)字和漢字識(shí)別實(shí)驗(yàn)中分別實(shí)現(xiàn)了98.8%和97.3%的軟件等效分類(lèi)準(zhǔn)確率。

新增觸覺(jué)傳感器,豐富機(jī)器人感知世界的能力

邁步動(dòng)作看似簡(jiǎn)單，實(shí)則不易達(dá)成，需要將機(jī)器人的動(dòng)作劃分為兩個(gè)階段，分別是單輪支撐階段和雙輪支撐階段。

在單輪階段，機(jī)器人在前進(jìn)或跨越障礙物的過(guò)程中，存在單輪著地的情況，此時(shí)，輪腿既要控制行駛轉(zhuǎn)向，又要保持動(dòng)態(tài)平衡。在雙輪階段，地面和兩個(gè)輪子之間存在著相對(duì)滑動(dòng)，且還要在蹬地動(dòng)作中完成能量的匯聚和注入。

這其中所涉及的機(jī)器人接觸力和動(dòng)力學(xué)特性是非常復(fù)雜的。

為攻克上述難題，研究者基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)和自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的VI算法。這是基于學(xué)習(xí)的控制方法在輪腿式機(jī)器人平衡中的首次應(yīng)用，能夠在缺乏精確動(dòng)力學(xué)特性的情況下，生成相對(duì)穩(wěn)定的雙輪邁步動(dòng)作。

同時(shí)，研究者從理論上分析了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)VI算法的收斂性和自適應(yīng)最優(yōu)控制器對(duì)機(jī)器人閉環(huán)穩(wěn)定性的影響，并在不同情況下開(kāi)展了物理實(shí)驗(yàn)，從多個(gè)方面助力Ollie完成全新的進(jìn)化升級(jí)。

作為一個(gè)非線性欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為輪腿機(jī)器人設(shè)計(jì)平衡控制器是非常困難的。目前人們大多運(yùn)用基于模型的線性二次調(diào)節(jié)器技術(shù)來(lái)解決平衡問(wèn)題，但這種方式高度依賴動(dòng)態(tài)模型的準(zhǔn)確性。

由于輪腿機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難建立精確的動(dòng)力學(xué)模型。同時(shí)，當(dāng)機(jī)器人的物理參數(shù)發(fā)生變化，為保證穩(wěn)定性，基于模型的控制器的參數(shù)也需要隨之進(jìn)行調(diào)整，這也在很大程度上阻礙了機(jī)器人的自動(dòng)化發(fā)展。

為了讓機(jī)器人的雙輪平衡更具環(huán)境適應(yīng)性，研究人員為Ollie搭載了自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃平衡控制技術(shù)，保證輪腿機(jī)器人能夠擁有最優(yōu)的平衡控制能力。

因此，在運(yùn)送球形物體的復(fù)雜搬運(yùn)任務(wù)中，Ollie表現(xiàn)十分出色。它既可以感知到球的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，又可以實(shí)時(shí)收集并完成數(shù)據(jù)的處理，在多種地形條件下都能實(shí)現(xiàn)頭部控制物體，下部保證平衡的能力。

據(jù)悉，對(duì)于目前已擁有感知接觸能力和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)能力的Ollie，研究人員會(huì)繼續(xù)承擔(dān)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、廣泛感知、控制規(guī)劃等多方面的研究任務(wù)，不斷推進(jìn)技術(shù)的積累和升級(jí)。