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解密柯马机器人在CCTV-1《机智过人》背后的故事(上)

(2017-11-08 10:31:08)
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cctv机智过人

机智过人

篮球运动

宋何景

林书豪

投篮机器臂的研发团队说

大家好,我们是人工智能投篮机械臂的研发团队,我们分别来自柯马和博众两家公司,您在《机智过人》中看到的与宋何景、林书豪比赛投篮的投篮机械臂就是柯马携手博众打造的第一投篮机器人。在节目中,我们的机械臂创下了两分钟三分钟定点投篮43球的好成绩,成功击败三分球投篮吉尼斯世界记录保持者宋何景的40球。而在与林书豪的对抗中,我们以18:28遗憾惜败,为投篮机械臂在《机智过人》的表现留下了一个略显遗憾的结局。

研发机械臂,势在必行

也许有很多观众对我们的人工智能投篮机械臂还不够了解,毕竟和人比起来,投篮机械臂不会疲惫,更不会产生情绪化的波动,为什么投篮机械臂反而会输呢?这项技术的项目究竟困难在哪里呢?投篮机械臂到底智能在什么地方,又将应用在哪些地方呢?

解密柯马机器人在CCTV-1《机智过人》背后的故事(上)

首先,我们想讲一讲为什么我们要研发投篮机械臂。习总书记在在刚刚召开的中国共产党第十九次全国代表大会上代表第十八届中央委员会向大会作了题为《决胜全面建成小康社会夺取新时代中国特色社会主义伟大胜利》的报告,他着重强调了国家发展机器人产业的意义:“国际上有舆论认为,机器人是‘制造业皇冠顶端的明珠’,其研发制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。”

目前,工业机器人正向着智能化方向发展,而智能工业机器人将成为未来的技术制高点和经济增长点。要想跟上未来工业发展,工业机器人技术是先进制造技术的代表,首要任务就是提高工业机器人的智能化技术。未来智能化水平将标志着机器人的水平,而它在智能化的方向不会改变,并且会将机器人产品拓展到更多行业,形成完备的系统。我们通过训练机械臂投篮,来锻炼机器人的智能化技术,篮球项目是一个机器人走进其他领域的突破口。由此启发,机器人未来可以走进生活中的其他领域,比如电影拍摄、家居、物流、运动类娱乐项目等。我们的机械臂可以说是科幻电影中那些无所不能的机器人的前身吧!

解密柯马机器人在CCTV-1《机智过人》背后的故事(上)

在《机智过人》中,我们使用的是柯马racer7(锐速)机械臂。这台机械臂是世界上最先进最灵敏的机械臂,它可以做到两分球100%命中。然而对于三分球,这也是柯马机械臂从未挑战过的领域,更别说是挑战移动篮筐了!为了加强节目的播出效果,我们一致决定做第一个吃螃蟹的人,做国内乃至世界上首次尝试机械手3分投篮加移动篮筐投篮的投篮机械臂。 

从10%到99%,我们完成了几乎不可能完成的任务

就是柯马racer7 (锐速) 这样最先进的机械臂,在刚研发投三分球的时候,命中率竟然只有10%!这大大超乎了我们的想象,更让我们十分沮丧,这样的命中率实在无法完成和最强人类的比拼!节目组要求我们要达到与最强人类、三分球吉尼斯世界记录保持者宋何景2分钟44中的成绩一战的水平,当时很多专家都表示这是个不可能完成的任务,我们的命中率最高只能从10%的命中率提升到80%……然而,这份压力让我们更有动力,我们的工程师马上开始寻找问题点,在困难面前绝不低头!

解密柯马机器人在CCTV-1《机智过人》背后的故事(上)

很快,我们就发现,机械臂夹爪的设计需要彻底整改。在原先的设计中,机械臂上有代替人手掌的五个夹爪,而经过测试后,我们发现五爪投三分球并不稳定,只适用于投两分球的近距离投篮。于是,我们采用了慢动作录像的方式,将球从夹爪中抛出的一瞬间捕捉出来,终于发现球在出手的那一瞬间,与机械臂最后的接触点是爪子的末端。然而,由于篮球并不是一个正球形的物体,它的表面有凹槽,如果爪子最后的接触位置位于凹槽部分,投出球的轨迹就难以确定。找到问题后,我们抓紧时间集思广益,想出了其他的办法——在爪子的末端加上一个环,让球最后离开夹爪的那一刻是弧面在进行接触。我们还想到可以把夹爪改做成一个锥面的环,我们将锥面与球面进行了结合,这样终于克服了锥面接触不够完整的问题,还克服了因为球的大小不一致导致无法确定球心的问题。此时,我们可以做到2分钟投出40个球,进球27个。大家一时间都目瞪口呆——进球率最多80%,这样的成绩在宋何景2分钟44球的记录下就是完败!


研究后我们发现,投篮的轨迹也对命中率产生着决定性影响。于是,我们根据现场机器人和篮筐的位置,计算了一个理论的轨迹,我们还根据该轨迹起始速度和角度,通过机器人运动学知识,进行了机器人姿态的求解,获得了各个关机的关节角度,之后又进行了机器人轨迹的确定与优化,从程序上一步步不断地进行修正……

解密柯马机器人在CCTV-1《机智过人》背后的故事(上)

轨迹优化后,我们又将关注点放在了传球的稳定性上。考虑到机械臂的危险性,所以我们设计了一个长2米多的环形传球架,让机械臂自动取球。后来我们发现机械臂经常性会漏抓或者是抓球速度跟不上,于是,我们将手动传球改造成一个自动传球传送带,一来可以保证到传球的标准速度,二来,球在上面的角度各方面更稳定。同时,我们考虑到抓球一直会有漏抓现象,于是在夹爪和传送带交接的地方,设置了传感器和相机,增加了机械臂的智能视觉系统。改善之后,机械臂的抓球稳定性终于大大提高了!

一波未平,一波又起

不知克服了多少困难,我们终于从最初的三分球10%命中率提升到了99%到命中率!当时机械臂做到了2分钟37投37全中,节目组对投篮机械臂的第一次测试验收基本合格!

解密柯马机器人在CCTV-1《机智过人》背后的故事(上)

然而,在5月29日最终测试验收前,我们还要大幅度提升投篮的速度,从每3.5秒完成一个投球动作加快到2.7秒。别小看这0.8秒的加速,这就意味着硬件、软件和识别系统都要加快,最大的问题是机械臂运动速度加快时,产生了更大的惯性,篮球还没到投球点就提前被惯性甩出去;而如果增加了抓球的锥形环的压力,篮球就不会提前甩出,但是投球点严重滞后。我们的工程师们又开始重新编写程序,重新调整投球轨迹和点位……

经过优化抓球轨迹和提高运行速度,我们的机械臂可以在两分钟内投出与宋何景世界纪录相当的44个球。虽然速度提升了,但命中率却又开始下降!经过研究后,我们发现2轴电机的工作负荷是最大的。大家最后发现,2关节电机的外壳温度在40~41℃(环境温度35℃左右)时,机械手动作重复度最高,投篮命中率最稳定可以达到44投43中,命中率终于回到了提速前!

5月29日,最终的验收日子到了,节目组又一次来验收机械臂。这一次,我们2分钟的时间45投42中,测试圆满通过!当时,很多同事都去和投篮机械臂合影留念,这个时刻确实值得铭记……历经360多天的策划、沟通、筹备、确定方案、测试,2500多个程序的编写和修改,5万次的投篮测试,我们终于迎来了这胜利的一天!

 

解密柯马机器人在CCTV-1《机智过人》背后的故事(上)

 

(转载自CCTV-1 机智过人)

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关于柯马

作为FCA集团的一员,柯马是先进工业自动化解决方案的全球领导者,整合了产品、科技和服务,能够帮助不同规模的公司提高生产效率、降低运营成本、优化投资回报。总部位于意大利都灵,柯马有超过40年的工厂经验,覆盖全球35个地点,遍布17个国家和超过9,000 名员工的15个工厂和5个创新中心。我们关注创新,柯马致力于通过个人和集团的发展,成为开放的自动化解决方案专家。通过工程精益化和可持续,柯马在推动未来的自动化生产。通过模块化、柔性化和可重构,可以根据每个客户的需求量身定做解决方案。不断发展升级的产品与服务使柯马引领工业自动化行业,可满足每一个客户的独特需求,且贯穿整个项目周期——从设计、实施与安装,到生产试运行和维护服务,为广泛的行业提供包括生产和装配,动力总成机加工,机器人和服务的综合解决方案。www.comau.com

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