滑雪场疾驰的机器伴侣︱科技冬奥的背后故事

编者按

奋进的中国再度点燃激情与梦想的圣火，世界翘首以待的北京冬奥会于2022年2月4日盛大开幕。

“水立方”变身“冰立方”、“百米级、分钟级”精准气象预报、国家速滑馆世界跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面、5G信号覆盖所有场馆、8K比赛画面实时传输……科技冬奥是北京2022年冬奥会和冬残奥会的主要特色，是体现我国综合国力的舞台，更是实现高水平科技自立自强的舞台。

中国科协网开设“科技奥运的背后故事”专题，挖掘冬奥高科技的幕后故事、幕后英雄，展现中国科协所属全国学会及广大科技工作者在“科技冬奥”中的拼搏、奉献、创新、超越，记录科技工作者助力北京冬奥冰雪史诗的感人故事。

北京2022年冬奥会和冬残奥会提前进入“智能新时代”。

在基础设施建设、赛场保障服务、电视影像转播等方面，绿色、环保、智能科技正大放异彩，而滑雪机器人的出场，更是为赛事增添了炫酷色彩。

滑雪机器人，出场即“中级”

2022年1月3日，沈阳东北亚滑雪场。

正在赛道上“耍酷”的六足滑雪机器人着实吸引了游客和滑雪爱好者的目光。只见这款滑雪机器人灵活避让障碍，身姿矫健地通过旗门，还能进行人机交互，和人们并肩滑行……

这是上海市科协所属上海市现代设计法研究会理事长、上海交通大学机械与动力工程学院教授高峰团队成功研制的六足滑雪机器人，在沈阳完成了初级道、中级道及与人共同滑雪实验，通过稳定控制、智能感知、规划决策等多方面的测试。

六足滑雪机器人

“这是我们第二次进行测试。实际上，我们的滑雪机器人第一次就通过了冬奥组委的测试验收。”高峰说。

2021年12月17日，研究团队第一次到雪场测试时，北京冬奥组委的工作人员也在现场。因为此前的试验都在室内进行，机器人在滑雪场上表现怎样，研究团队心里也没底儿。

“一开始我们自己也怕出问题，就想安排在初级赛道测试，但冬奥组委工作人员说‘初级赛道不过瘾，上中级雪道吧’，我们只好硬着头皮来到中级赛道。”高峰说。

中级赛道有18度的坡度，“陡得吓人”，而且在零下近20摄氏度的严寒中，各种电子器件也容易出现问题。但冬奥组委工作人员还要“加码”——首先来到半山腰，让滑雪机器人从高处冲下来，然后在他们面前停下。

那天，初上赛道的滑雪机器人表现非常给力：高速俯冲下来、半路稳稳停住、位置分毫不差。

第一次进行测试，而且只测试了一次，验收人员就满意地说，“可以了，不用试了”。

助力“科技冬奥”，机器人数据亮眼

“滑雪对人的稳定性和灵活性要求极高，设计机器人并研发控制系统参与滑雪活动，挑战不小。”高峰说，“值得一提的是，本次测试的滑雪机器人完全由上海交通大学自主研发。”

研究团队历经多次科研攻关，在机器人性能操控、感知规划等关键算法设计上取得了创新突破，自主完成了从机构设计、系统框架、稳定控制到智能感知、自主规划等一系列环节的关键核心技术研发，最终使滑雪机器人集人机交互、环境感知、轨迹规划、智能决策和稳定控制于一体。

据介绍，这款滑雪机器人采用双板滑雪，中间的四条腿分成两组，每两条腿固定在一个滑雪板上，用于控制滑雪板的位置和姿态；两侧的两条腿分别加装了滑雪杖，用以模仿人手，实现点杖的功能。每个滑雪板具有5个自由度，通过控制滑雪板的位姿可以实现滑雪的速度控制、转弯和制动等功能。

为了让机器人更“聪明”，团队对机构设计和驱动器设计进行深入研究，为机器人建立了“大脑”——智能系统。该系统包括动态平衡稳定控制、智能感知和智能规划，通过设计智能和行为智能的有机融合，使得机器人能够分析人的滑雪行为数据、模仿人的滑雪动作，适应户外雪面的环境特性，实现了自主快速稳定地滑行。

研究团队分别以人工遥控和自主规划的方式，在滑雪机上对机器人身高、身体俯仰角、重心前后位置、重心左右位置、左右雪板夹角、左右腿高低、左右雪板前后位置进行控制，完成速度控制和转向控制的测试。其中，人工遥控稳定转向滑行最高速可达每秒3.2米，自主规划匀速直线滑行最高速可达每秒5.17 米，稳定转向滑行最高速可达每秒2.45米。

滑雪机器人雪场测试

“这款机器人不仅能高速滑雪，还能躲避人群、自己规划最优路线，证明了它具备敏捷的转弯、制动能力和强大的自主感知、规划能力。”高峰说，“正是这些关键技术的集合，使这款滑雪机器人在中级雪道也能完成高速滑雪和避障安全控制。”

人机共融，畅想“后冬奥”时代

滑雪机器人不仅是“科技冬奥”的直观体现，同时，“人机共融”的研发理念为“后冬奥”时代提供了无限畅想。

通过冬奥组委的验收后，团队又自发进行了第二次测试。项目组成员个个化身滑雪运动员，连高峰都“武装”上阵，在零下18摄氏度的寒风中和机器人同场“秀技”。他们所到之处，滑雪机器人都会成为全场的焦点，连素不相识的雪场负责人也表示，“你们随时来测试，雪场免费使用。”

“滑雪机器人出现在雪道，特别引人瞩目。这对推广普及冰雪运动、‘带动三亿人参与冰雪运动’方面有积极作用。”高峰说，“能为北京冬奥会作贡献。科研人员都很兴奋。不仅在实战中考验了我们的技术成熟度，还为我们提供了难得的锻炼机会，团队也培养了一批人才。真心祝愿北京冬奥会圆满成功！中国冰雪健儿再创佳绩！”

来源：中国科协信息中心 供稿