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机器人世界杯赛 冠军机器人浙大“智”造

行业上下游中国仪表网2014年08月05日 09:31人气:5204

  导读:在7月26日于巴西结束的全球顶尖机器人足球比赛——机器人世界杯中,浙江大学师生研发的机器人击败来自多个国家的强大对手,夺得冠军。这些小小机器人在属于自己的“绿茵场”上奔跑、传接、射门,默契度和精准性令人赞叹。
  
  
        日前,浙江大学机器人研究中心,凯旋的浙大ZJ UNlict团队介绍了“冠军机器人”所蕴含的精妙技术。
  
  “球员”构造精密
  
  我们先来认识一下这些夺冠的小家伙:它们大约15厘米高,3千克重,圆柱形的身材。机器人的腿脚是4个全向轮,由塑料、钢圈、铝和橡胶等多种材料制成,轮子外面还有金属的保护套,以防止它们在激烈的拼抢中“受伤”。
  
  “机器人从电池获得动力,运转速度很快。”浙大ZJ UNlict团队成员、主攻电力系统的研究生宣羿说,“它们一秒钟能行驶3至4米。”
  
  机器人身子底下有一个类似打印机中的滚筒装置,可以把机器人足球比赛的用球——一枚染成橙色的高尔夫球吸住,机器人就能像现实中的足球运动员一样带球跑动了。
  
  在传球或射门时,机器人靠的是威力强大的“电磁炮”——它们体内装有电磁铁装置,将小球推射出去。并且有一个调节开关,可以精确控制电磁铁发出的推力的大小,以保证球落到准确的位置。
  
  除此之外,每个机器人还都有一个最重要的大脑:一套处理器系统。
  
  一个足球机器人已是如此精密复杂,而一场比赛中,两队分别派出的是6个这样的机器人,比赛打得精彩纷呈,是谁在操控它们?
  
  答案是:机器人自己。场地上方,两台全景摄像机把各个机器人和比赛用球的实时信息悉数采集过来,转化成数据,传输到参赛队位于场外的计算机里。这台计算机就像一个总指挥:它拥有强大的运算能力,根据数据生成一个球场的模拟景象,分析当前局面,提出下一步的策略。计算机的命令,通过无线技术发送给每一个机器人,后者接收并随即采取相应行动——或拦截、或传球、或射门……
  
  浙大ZJ UNlict团队成员、控制科学与工程学系博士生毛翊超说,从摄像机采集信息到机器人做出反应,整个过程耗时仅16毫秒。整场比赛,就是在计算机和机器人的合作下完成的。开场哨一响,任何队员都不能再碰触计算机或机器人。
  
  技术软硬兼备
  
  在机器人足球赛中,双方比拼的不是体能,而是从人工智能到机械电气的一系列软硬件技术。
  
  浙江大学智能系统与控制研究所机器人实验室主任熊蓉教授说,本次夺冠的机器人表现出了更加优异的单车性能,它们运动灵活,又不怕碰撞,球星范儿十足。在决赛中,浙大团队的一台机器人在5个对方球员的围堵下,仍能找到空挡射门,球被扑出后,还能再抢下来补射,最终锁定胜局。
  
  编程也很重要。机器人在场上能够协同合作,攻防自如,全靠计算机的规划。队员们编制了60多套战术,并且可以根据场上局势,在1秒内进行战术间的切换。“本次比赛中,我们进一步提升了机器人的人工智能,它们变得更加不容易犯规,在发定位球时也更聪明了。”宣羿说。
  
  在队员们备战的实验室里,几块写字板上密密麻麻地记录了机器人“成长”的艰辛历程。光是在人工智能的完善方面,就包括:点球的进攻和防守、两车防守的漏球问题、传球的判断、后场的挑球和截球测试、射门的优化、接球后转身加速的调节、两车防开球等等一系列细节。这些技术问题被攻克的背后,是反复的编写代码与测试。
  
  在硬件上同样需要队员们亲力亲为,材料、机械、电机、电路,从设计到选型,每个环节都关系到最终比赛的成败。吸球的滚筒用什么材料?用哪种型号的螺丝?弹簧和防静电袋将如何改善机器人的场上表现?对这些看似细枝末节问题的回答,恰恰代表了这个团队的整体水平。
  
  应用前景广阔
  
  为什么机器人世界杯能够年复一年吸引世界各国的优秀技术人才?熊蓉认为,这是一个创新思维和技术能力碰撞的高端平台,驱动机器人在球场上夺冠的技术,同样被应用到现代生活的方方面面。
  
  “比如,机器人在场上传接射门,使用了路径规划技术。而如果要开发一款机器人,在一片广袤的土地上对电网设备进行巡检,就需要这种技术。”毛翊超说。又如,采集场地信息、精确识别出机器人位置的全景摄像机,可以为大型停车场服务,方便地标示出空余车位。在码头,装卸集装箱的工业机器人同样需要装配协作、避障等人工智能。
  
  机器人科技发展水平已经成为衡量一国科技创新能力的重要标志。“在研发机器人的过程中,我们深刻认识到,我国和发达国家还存在着较大差距。”熊蓉说,我国的机器人零部件生产水平仍相对落后,浙大夺冠机器人所使用的许多电机设备是进口产品。
  
  在“机器人革命”浪潮席卷全球的时代,我国正加快追赶机器人产业的国际先进水平,青年学子研发的足球机器人在世界舞台上取得的优异成绩由此成为一种象征。2015年的机器人世界杯将在我国举行,届时,更加先进的机器人将再赴征程。
  
  机器人足球赛
  
  机器人足球比赛的场地画有中线、中圈和门区。每队由三个边长不超过7.5厘米的立方形的遥控小车(机器人)组成。它们的任务就是将橘红色的高尔夫球(足球)撞入对方的球门而力保本方不失球或少失球。比赛规则与一般足球相似,也有点球、任意球和门球等。只是因电池容量有限,每半场为5分钟,中间休息10分钟。下半场结束时若为平局,则有3分钟的延长期,也实行突然死亡法和点球大战。明显不同之处在于球场四周有围墙,所以没有界外球,而在相持10秒后判争球。
  
  写在科学边上
  
  机器人能踢胜人类吗
  
  第一届机器人世界杯大赛于1997年在日本名古屋举行。发展至今,机器人世界杯比赛已经极大超越了原初的内涵,在足球机器人之外,家用服务机器人、仿真救援机器人等更多的比赛项目加入了进来,这使得本项赛事日益成为人工智能、机器人和相关领域的国际顶尖平台。
  
  比如,在今年于巴西举行的机器人世界杯上,中国科技大学自主研发的“可佳”智能服务机器人荣获冠军。这是我国服务机器人首次在国际服务机器人标准测试中排名第一。“可佳”演示了餐馆服务,还表演了两台机器人合作开瓶盖,感知和行动都极为准确,流程连贯,一气呵成。
  
  不过,机器人世界杯的核心仍然在足球比赛上。在一个快速变化的环境中,人工智能和机器人机械能否准确观察、适当反应和迅速行动——这一直是机器人足球赛向全世界机器人开发者提出的挑战。人们不应忘记,机器人世界杯的最终目标并未改变:到2050年,能够开发出一支完全自主的仿人机器人足球队,并击败人类的世界杯冠军球队。
  
  朝着这个目标,机器人已经迈出多远的距离呢?有评论者认为,里程碑式的事件已经在今年的大赛中出现了。在夺得中型组比赛冠军后,埃因霍温联合技术大学的机器人球队和一支由人类组成的业余球队在场地上展开一场较量,而机器人将球踢进了人类把守的大门。
  
  当时,一名机器人运球到禁区前,准确识别出人类守门员已经封锁住了自己的射门角度,于是一记横传将球送到位于侧翼的另一个机器人脚下,后者立即射门。守门员虽然做出了防守动作,但只能望球兴叹——机器人在门前表现出的射门技巧已经完全不输人类职业足球运动员。
  
  中型组的机器人靠轮子来驱动,速度更快,更灵活也更稳定:这大概可以让丢球的人类找回一点颜面。客观地看,有着头颅和四肢的仿人机器人,现在踢起球来还是十分笨拙。全场比赛有一多半的时间它们都在不停地摔倒,然后努力爬起来。目前,它们的比赛节奏和推进速度都很慢。
  
  机器人足球能否最终击败人类,在这个科技日新月异的时代,这漫长的时光里孕育着无穷的可能性。曾几何时,人类认为电子计算机永远无法在国际象棋上战胜我们的顶尖高手,但是从第一台计算机出现,到“深蓝”击败国际象棋世界冠军卡斯巴罗夫,也不过几十年的时间。
  
  也许正像《经济学人》的文章所指出的那样,最终,人类会被机器人踢个7比1,和今年夏天的巴西队一样目瞪口呆。
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