騰訊最新研發成果人居環境機器人“5號”正式亮相！
前言
讓機器人真正融入日常生活。
9月24日，騰訊Robotics X實驗室最新研發成果人居環境機器人“5號”（The Five，小五）正式亮相，小五具備一系列創新技術和能力，目標是成爲可以與人居環境和諧相處的通用機器人。
小五機器人總體圖及主要的技術參數
作爲騰訊Robotics X實驗室最新一代機器人，小五集合了此前多代機器人研發的核心能力，融合了四腿輪足複合設計、大面積觸覺皮膚、多指靈巧手以及安全人機物理交互等多項自研技術，實驗表明，小五可在真實人居環境中完成行走、搬運物體等動作，處理複雜任務，與人進行交互。
本體設計兼容幷蓄：四腿輪足複合設計，讓機器人走得更快更穩
小五與此前的機器人最大的不同，是在本體上採用了四條直線腿和輪足複合的設計，既保持了足式機器人的越障能力，也保持了輪式機器人運行的效率，讓機器人在平地上有更快的速度。
在運動模態方面，在平地上，小五可以切換四輪模態、兩輪模態運動。在四輪模態下，小五可以根據不同的負載需求和環境空間，通過交叉腿的設計，擴大和縮小支撐空間。在不平整地形上，小五使用可伸縮的直線腿配合主動力控，實現彈簧懸掛的效果，從而保證上半身平穩。在樓梯和馬路牙子等場景，小五可以採用輪足複合的形式，順利走過去 。
輪腿足的組合變換
負載能力上，小五通過直線腿設計有效提升承載能力，每條直線腿可以單獨伸長縮短，可以根據不同的作業空間需求，調整支撐高度，從而實現“上摸高、下摸地”的廣闊作業空間，例如幫助用戶取放高處的物品，或者在低矮的空間中操作。
自主摺疊
除了運動模態和負載能力，小五還可以自主摺疊與展開，當不需要工作時，小五可以自主摺疊起來，減少佔用空間，方便運輸。
除了形態創新之外，根據腰部大負載的需求，小五采用自研的雙編碼器大扭矩密度的執行器，讓機器人能夠更有力量，同時也在手臂上部署了自研的具有180個檢測點的大麴面覆蓋觸覺皮膚，這使得小五能夠擁有更加敏銳的“感官”，可以根據外界環境的變化作出相應的反應。
【左】大扭矩密度的執行器 【右】大面積曲面觸覺皮膚
統一的控制框架：更強的感知、更靈活的控制
面對人居環境中多樣複雜的任務，小五需要具備兼顧靈敏的移動能力和靈巧的操作能力，這對機器人的控制提出了較高的要求。
小五基於統一的控制框架，通過感知環境信息實現地形識別和精準定位，進而實現了對多地形的自主適應，移動與操作一體化的全身運動控制，及各模態下穩定、高效、靈敏的移動能力。
統一的控制系統框圖
小五統一框架大致分爲三個模塊，首先是大範圍複雜環境下高精度視覺感知定位和狀態估計，騰訊Robotics X實驗室基於激光雷達和IMU等傳感器搭建了一套高頻、低延遲、高精度的實時在線定位和建圖（SLAM）系統，並與輪足複合里程計進一步融合，可以讓小五更好地感知環境和自身狀態。
養老院室內外場景定位建圖結果
其次是多層級（路徑級-軌跡級）的在線運動規劃，小五可以利用激光雷達和RGBD相機等傳感器數據，實時檢測周圍環境中的動靜態障礙物，並在線規劃最優路徑和控制指令，避免碰撞和意外發生，確保在複雜環境中安全高效地完成任務，比如攜人推輪椅主動避障。
推輪椅過程中攜人避障
最後是面向多地形適應移動操作一體化的全身運動控制。如遇到有障礙的地形，比如人居環境中常見的樓梯，小五會移動到樓梯附近，將自身模態由四輪運動模態調整到四足站立模態，進而通過樓梯地形。上樓梯過程中，小五可以結合周邊精確的臺階地形和自身狀態估計，會規劃出在臺階上可達的落腳點位置，生成一系列的後續時刻質心軌跡。隨後，全身運動控制器會根據機器人的全身動力學模型、質心軌跡和落腳點信息，解算出各關節控制指令，控制小五上樓梯。上完樓梯後，小五可以從四足邁步模態切換回四輪運動模態，方便以更加高效、節能的姿態，在平地上完成其他複雜、多樣的任務。
進一步的，小五具備有腿部主動力控能力，這一能力類似於汽車的主動懸掛功能，能夠適應各種複雜地形，如平地、斜坡、波浪坡、鵝卵石地面等常見家庭和市政地形，無需對現有的人類居住環境進行改造。在該模式下, 小五根據力傳感器和輪足里程計實時估算地面接觸點，利用自適應阻抗控制和全身運動控制算法使得機器人可以適應不同地形, 且關節控制模塊中採用自適應無模型摩擦補償算法實時補償摩擦力,使得它可以在低速和高速時平滑運動,提升力控制的準確性和穩定性。
上樓梯
主動懸掛
安全多模態人機物理交互：讓機器人更加親切
依託觸覺和視覺感知，以及識別、規劃和控制算法，小五能夠與人類進行安全舒適的物理交互，並準確地理解、預測並滿足人類的日常行動需求，例如輔助老人行走和坐立等。
人機物理交互輔助老人起身
安全、舒適的人機物理交互依賴於機器人對人的需求、狀態、物理交互過程以及自身能力的深入理解和建模。
以抱扶爲例，爲了幫助老人完成這一日常動作，小五需要綜合考量老人從坐到站運動過程的特點、老人的身體狀態（如運動能力及物理需求）、小五本身的物理能力等問題。
爲了實現這一目標，騰訊Robotics X實驗室提出了機器人抱扶過程最優控制模型。該模型考慮了老人本身的運動能力（如關節運動範圍、驅動能力等）、身體結構（如身高、體重等）、站立過程的運動特性、機器人抱扶過程的負載分佈等因素。
此外，爲了使該模型更符合老人個性化的運動特性，團隊通過採集了少量老人的抱扶數據，讓模型從中學習出符合被抱扶老人的最優模型參數，從而使該模型更符合老人被抱扶站立的運動特性。
人-人抱扶過程數據採集
此外，多模態感知系統也是實現人機交互的關鍵模 塊之一，它爲小五賦予了類似人類的感知能力，使其能夠更精準地識別人類和複雜的人居環境。
在這些感知模塊中，視覺和觸覺系統扮演着至關重要的角色。視覺系統使小五能夠快速定位和識別人類的狀態，從而更有效地進行交互和響應。
在抱扶老人的過程中，高分辨率的觸覺系統能夠幫助小五以更安全和精確的方式提供支持和輔助，有效避免對老人造成不必要的壓力或傷害。這些技術的整合不僅提高了小五的功能性，也增強了其在實際操作中的敏感性和人性化表現。
視覺（upper）及大面積觸覺（lower）感知系統
走向人機和諧共處的未來
騰訊Robotics X實驗室致力於推動人機共生的發展，小五這一創新原型機已經在實驗室環境下展示強大的運動和控制能力。
在未來的智能家居中，機器人將不再是冷冰冰的機器，而是人類生活的夥伴和助手，也是具身智能的一個優秀載體。通過小五的智能化和人性化設計，用戶能夠體驗到更加自然和親切的互動，讓機器人真正融入日常生活。
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文章來源：騰訊Robotics X實驗室
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