上海交大研制“智慧小象”
上演现实版“动感超人”

    喜欢《蜡笔小新》的人，肯定对小新最喜欢的卡通形象，也是他最好的朋友——“动感超人”耳熟能详。“动感超人”身怀“绝技”：“动感铁拳”、“动感光波”、“动感跳跃”……他总是在最危险的时候、最危险的地方出现，救人于危难。成为“动感超人”，或有一个“动感超人”的朋友，成为不少人童年最天真、最美好的愿望。

    上海交大机械与动力工程学院高峰教授带领团队研制出“仿生小象机器人”，可采用人机交互远程操控方式完成复杂危险环境下搬运、搜索、探测和救援作业等任务，标志着我国四足仿生机器人迈入国际先进行列。这样的“智慧小象”，让“动感超人”走进了现实。

    人们通常用上“刀山”、下“火海”来形容所处环境的极端复杂危险。可以想象这样几个场景：某地发生9级以上地震，且余震不断，一时间通信中断，断壁残垣把灾区和外界隔绝开来，救援工作难以展开。如何第一时间了解灾区情况，抢险救人？某居民区发生重大火灾，一位老人和一名儿童被困家中，而火势太猛，无法进入家中施救，怎么办？在极端复杂危险环境下，人类总是显得渺小而无奈，而“智慧小象”却能在这样的环境中大显身手。

    高峰教授介绍，在这些地形环境下工作，需要具备适应各种不同地形环境的灵活稳定的运动能力、环境实时感知能力，以及自律控制与人机交互协同的远程操控能力，这些都是四足仿生机器人的前沿技术。

    围绕这些前沿技术，高峰团队提出了既能抗冲击，又能适应不同地形的仿生机构，研制出了高功率密度驱动单元——液压丝杠、伺服单元等关键部件，实现了机器人的高速、高精度控制。此外，“智慧小象”还具有较好的抗惯性力扰动的平衡能力，实现外部冲击扰动下机器人姿态的稳定控制。

    当这些高端技术全副“武装”在“智慧小象”上，“智慧小象”就变成了十足的“超人”。高峰教授告诉记者，通过远程人机结合，“智慧小象”具备了深入极端复杂危险环境的能力，可以完成搬运、搜索、探测和救援作业等多种任务。

    人们会好奇，被称为现实版“动感超人”的“智慧小象”到底是什么样子？

    高峰教授介绍说，“智慧小象”长约1.2米，宽约0.6米，高约1米，“体重”约130公斤。从外形上看，“小象”的体型比较“敦实”，“四肢”健壮有力，走起来一步一个脚印，神态“活灵活现”，如果再加上两根长长的象牙，俨然就是一头机动灵敏的“小象”。

    据介绍，“智慧小象”可以自带动力源，无需凭借外接动力线缆和通讯线缆，“驮”至少100公斤的重物，一小时跑4公里，而且腿部可做至少12个自由变换，最大行走坡度超过10度。

    别看“小象”驮着重物，它可以慢走，也可以小跑。有人担心，万一“摔”了一跤怎么办？“小象”身上装有力觉测量与实时感知信息反馈系统，实现了“肌体”的动态平衡与稳定控制，使“小象”具备抗惯性力扰动和抗外载荷冲击扰动的平衡自恢复能力。因此，假如在路上被大石头拌了一下，“小象”可以瞬间恢复平衡。

    长期以来，国内四足仿生机器人和单元技术的基础研究与应用水平同国际先进水平相比有明显差距。

    早在2000年，高峰教授带领的团队便开始仿生机器人的研究工作，先后开发了两足、四足和六足机器人，积累了大量经验。2011年年初，项目团队成功获得国家863计划主题项目“高性能四足仿生机器人”资助。项目实施伊始，项目团队便瞄准目前代表国际上四足步行器研究最高水平的美国波士顿动力公司的Big Dog机器人，设计的各项性能指标力争达到Big Dog的水平，甚至在高功率密度驱动单元等核心技术上超越对方。在不到两年的时间里，项目团队先后开发了四代小象机器人，通过反复的测试，最终确定了目前的并联腿单元及其步态规划、稳定性控制算法。

    目前，高峰教授团队研发的“智慧小象”在四足仿生机器人设计与控制理论上取得重要成果，突破了仿生机构、高功率密度液压驱动、状态感知与环境适应、仿生步态规划与动态控制等核心技术；研制出了具有高速、高负载能力、对典型非结构化地形具有高适应能力的四足仿生机器人系统，使我国四足仿生机器人进入国际先进行列。“智慧小象”具有完全自主知识产权，已申请国家发明专利7项，成为国际上四足仿生机器人名副其实的“排头小象”。