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  图为一款仿人机器人和中国“智能脚”。仿人机器人是指具有人类相似外形和行为特征的机器人。我国自主研制的集成化足部感知系统,让仿人机器人能够适应更复杂的路面。

  “机器人在‘智能脚’的帮助下,已经能在斜面、凹陷的路面平稳行走,一改普通机器人只能在平坦路面行走,且容易摔倒的问题。”中科院合肥物质科学研究院吴仲城研究员欣喜地告诉记者。

  日前,中科院合肥物质科学研究院研制的仿人机器人集成化足部感知系统通过科技部组织的专家验收,该成果打破了相关技术长期依赖于国外进口的局面,残障人士行动自如将成为可能。

  “仿人机器人外形酷似人类,双‘手’能抓取物体,双‘脚’能移动位置,甚至可以完成人类喜怒哀乐的表情。仿人机器人在医疗、矿产、救援、海洋勘探、机器维修等诸多领域的应用前景广泛。”中科院合肥物质科学研究院申飞告诉记者,“目前全世界的大型仿人形机器人项目有70多个,小型仿人形机器人项目有60多个,我国也有十几家单位从事此项研究。”

  在目前的仿人机器人研究中,如何增强其在未知环境中的适应能力一直是研究重点,虽然仿人机器人的行走技术已经得到较大突破,但距离适应人类生活环境还有很大差距。

  “仿人机器人的每一次进步都与足部感知系统的发展密切相关。一直以来,国内研制的仿人机器人还只能在平坦地面上稳定行走,由于缺乏有效的足部感知系统,造成仿人机器人对地面环境的感知能力不足,因而难以在非平坦地面稳定行走。”申飞说。

  “人类之所以能在各种环境下自然、平衡地行走,有赖于人类足部复杂的结构和生理功能,使其能准确感知外界信息并实时反馈给中枢神经运动控制系统。”吴仲城告诉记者,“仿人机器人集成化足部感知系统就是仿照这一过程,首先在机器人脚部增加了六维力传感器,利用弹性应力—应变理论,通过感受外界载荷引起的传感器弹性体形变,使机器人能识别行走环境,实时感知和识别地面环境变化,并测量地面的作用力。”

  吴仲城介绍,目前实验室自行研制的一体化浮动梁结构六维力传感器满足了高动态响应速度和灵敏度要求,标志着我国在仿人机器人研制方面掌握了世界先进技术。

  “集成化足部感知系统采用的橡胶减震层采用特殊橡胶配方工艺,并结合空气型腔结构的设计,具有优良的低频隔振性能,依靠橡胶囊内的压缩空气的压力变化,极大改进了隔振效果。”吴仲城打了个比方,“这就像人体足跟部的一层厚厚脂肪垫,能够作为天然的缓冲层,有效地降低行走时所受到的地面反冲力。”

  “为了增加机器人行走时的稳定性,新系统还增加了力敏阵列传感器和加速度传感器,可以在机器人即将摔倒之前预先做出判断,并帮助机器人及时纠正。”申飞说。

  吴仲城表示,足部感知系统关键技术的突破,能让仿人机器人更加适应人类生活和工作环境,为机器人的功能拓展开辟了更大空间。据了解,目前世界上掌握仿人机器人足部感知系统同类技术的只有美国、日本等少数几个发达国家。

  “集成化足部感知系统,具备复杂地面环境感知能力,尤其对‘智能假肢’的设计具有借鉴意义。”申飞介绍,目前残障人士所戴的假肢仅仅是提供一个支撑作用,而不能行动自如,如果在假肢上运用仿人机器人足部感知系统,假肢就能够感知到地面的情况,通过自行处理,并反馈给人体的神经系统,让残障人士行动更加自如。

  申飞坦言,“智能假肢”的设计还只是一个设想,仍然有许多技术问题需要解决。“这和机器人不同,如何让足部系统采集的信息转化为神经信号并为大脑识别,再让人的意图转化成机器人能识别的信号就是需要攻克的重要课题。”申飞说。

  据介绍,目前仿人机器人集成化足部感知系统已形成小批量设计、加工能力。