世界首款冰壶机器人“选手”亮相冬奥赛场

六足冰壶机器人      受访者供图

2月18日，在北京2022年冬奥会冰壶项目赛场（冰立方），一位特殊的“选手”走了上去。

只见这位“选手”两个后“腿”蹬踏起踏器，两个中“腿”支撑身体，两个前“腿”当作双“手”控制冰壶的方向、移动与旋转速度，然后奋力一投，击中目标！

“表演进行了6次，6次6中。”上海交通大学机械与动力工程学院教授高峰略带激动地对《中国科学报》说，“这是世界首款模仿人蹬踏、支撑滑行、旋转冰壶行为方式的六足冰壶机器人，今天的表现出乎我们意料地完美。”

首款模仿人投掷冰壶行为的六足机器人

冰壶运动14世纪起源于苏格兰，是当时人们时髦的运动方式，从1998年开始，冰壶被列为冬奥会正式比赛项目。冰壶运动被誉为“冰上国际象棋”，投掷队员半蹲在冰面上滑行，轻轻旋转冰壶控制出手方向；两名队友可以在冰壶前用特制的冰刷刷冰面，以控制方向和速度，非常考验参与者的体能和脑力。

由人主导的冰壶比赛能否用机器人替代？这个问题数年前就被提出。2018年平昌冬奥会后，国际上出现了轮式冰壶机器人，它主要是通过轮子驱动前行的，和人投掷冰壶的行为还有所区别。

“人投掷冰壶时，一条腿支撑身体，另一条腿蹬踏起踏器，眼睛瞄准目标，手控制冰壶的速度和方向，是一个复杂的决策行为。”高峰介绍说，“怎样根据人投掷冰壶的行为特征，设计机器人的结构；如何根据视觉与力觉测量的信息，辨识冰面与机器人接触的动力学参数，从而预测机器人滑行和冰壶运动的轨迹；如何根据人类投掷冰壶的决策方法来控制机器人的行为，这些都是我们开发六足冰壶机器人遇到的技术挑战。”

机器人从站立转换成投壶状态      受访者供图

在“冰立方”表演的这款冰壶机器人是在科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项支持下，由高峰领衔，上海交通大学与上海智能制造功能平台有限公司组成的六足冰壶机器人研究团队研发。人类用手控制冰壶的方向和旋转速度、一条腿的足支撑身体、另一条腿蹬踏起踏器，而上海交通大学设计的六足机器人完全具备人类投掷冰壶的这三种行为功能，和人投掷冰壶时手和双足的分工非常一致。

为奥运选手加油，在冰壶赛场表演

冰壶比赛不仅是一种体能竞赛，也是一场智力博弈。因此，研究团队需要根据人投掷冰壶的行为特征来训练机器人，让机器人实现人的行为决策方式。

在投掷冰壶过程中，六足机器人前部双腿转化为人手的功能，实现抱壶和旋转壶的运动；中部双腿的膝盖和前部双腿的肘关节复合成四点接触冰面，形成人支撑腿的功能；后部双腿蹬踏起踏器，实现推动机器人加速滑行的功能，另外，前部双腿具有在机器人滑行运动过程中二次掷壶，来控制冰壶运动投出时的位置、方向、速度和角速度，冰壶依靠惯性滑行，实现精准投壶和击打冰壶。

投掷冰壶动作结束后，机器人从投掷冰壶的构态转换成站立构态，可以进行冰面行走和寻找起踏器。冰面的粗糙度和摩擦特性受冰面的制作和使用时间长短的影响明显，机器人要通过视觉和力觉检测信息，辨识冰面的摩擦特性，来建立机器人和冰壶的动力学模型，从而实现机器人运动特征规划和精准的冰壶投掷、击打。

“因为冰壶运动有些特殊的要求，这款六足机器人的后腿要长些，而且安装有力传感器，以便其在冰上行走不打滑，并能自己找到起踏器并用力蹬起踏器。同时，前腿要像‘手’一样完成一系列精细动作，这些都研究的难点所在。”高峰说。

机器人击打冰壶出大本营      受访者供图

可当“陪练员” 还能打“人机赛”

六足冰壶机器人能模仿人投掷冰壶的行为，具有视觉和力觉感知能力，能实现冰壶投掷运动的数字化，成为冰壶运动员日常训练器材，也可以辅助运动员投掷冰壶的决策与规划，给运动员当陪练员。

在冰壶比赛间歇，冰壶机器人或人机竞赛进行的投掷冰壶表演，也能给冰壶比赛增添不少乐趣，让更多人喜欢上冰壶运动，并激发青少年对科创的兴趣。

“这是通用型机器人。”高峰说“在冬奥会冰壶比赛期间，它可以进行投掷冰壶表演，为奥运选手加油鼓劲，将来通过更新程序，还可以控制它完成其他动作或功能。”