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继CentauroCENTAURO项目介绍系列的前三篇文章（1.机电系统平台搭建；2.软件框架及运行平台；3.腿轮混合运动控制器及协调运行控制器） the arms），本文将总结和介绍该项目的成果和经验。

任宇宇：一款集混合运动和大功率柔性操作于一体的半人马救灾机器人（一）——机电系统平台介绍 zhuanlan.zhihu.com

任宇宇：一款集混合运动与大功率柔性作业于一体的半人马救灾机器人（二）——软件架构及运行平台介绍 zhuanlan.zhihu.com

任宇宇：一款集混合运动与大功率柔性操作于一体的半人马救灾机器人（三）——自主运动控制器介绍 zhuanlan.zhihu.com

首先推荐大家吃下下面这个视频，是2018年10月在CENTAURO项目最终验收现场拍摄的，基本涵盖了CENTAURO项目到2018年底的所有成果。

CENTAURO项目成果视频

CENTAURO机器人性能（项目完成质量）的最终测试是通过以下5大类任务完成的：

以上五项任务都没有事先演练过，严格来说是最后进入工程验收现场才通知的。 欧盟ERC（European Research Council）对CENTAURO项目管控严格空间机器人及其遥操作，专门找来了专业中立的德国核事故响应公司——KHG（Kerntechnische Hilfsdienst GmbH）对项目进行验收。 提供事故应变预案及日常人员培训服务的公司。

Kerntechnische Hilfsdienst GmbHkhgmbh.de

公司将围绕实际事故中需要完成的共性任务，结合当前机器人现有技术水平，将上述每一项大任务细化为若干小任务（详见下文），每一个小任务将由专业评委进行评分和时间。 在专业评委的遴选上，欧盟严格执行主办单位所属国回避原则——选择与项目所涉隶属关系所在国不同的中立国科研人员任职作为裁判。 同时，要求裁判员对每项任务进行量化评分，然后将每项具体评分映射到相应的责任机构并记录在案。 这个分数会影响到各个机构以后申请欧盟项目的优先顺序。

从以上可以看出，欧盟ERC在项目验收方面是严谨而公正的，笔者不禁感叹其完善的科研体系——即通过相应的体系：1）例如，选择一个中立公司提供场地和任务要求，并选择中立国家的评委，尽量避免项目验收中的人为因素； 2）通过分数量化项目完成质量，并直接与未来项目的优先级挂钩，从Funding源头督促您高质量完成项目。

以下是对每项任务的具体解读，包括：1）任务是如何制定的； 2）我们一般是如何完成的； 3）竣工质量； 4）以及存在的问题，文字较长，内容来自于上面的视频，着急或者不需要了解更多的朋友可以看这里。

运动任务

图 1. 运动任务 - Step Field

本题的特点是所有的金属砖块和木棍都是杂乱无章的排列，尤其是木棍体积较大，增加了难度。 上层的所有动作规划都是实时的，实时成本就是这个近3米的障碍物乌通耗时87分38秒。 步态控制器是基于驾驶员监督的半自动，即控制器根据视觉信息自动计算立足点，但驾驶员有权对每个立足点进行修正。

【提示】机器人手臂后仰的原因：机器人头部和上半身的视觉设备很难观察到后脚的落脚点，我们在末端的执行器上加装了视觉设备手臂的落脚点（为了给终端的精准操作提供视觉信息），在这个应用场景中，在手臂向后的姿势中提供两条后腿落脚点的视觉信息。

图 2. 运动任务 - 楼梯

对于爬楼梯的任务，我们预先规划了一组预定义的运动原语，输入变量为目视测量的楼梯高度h和宽度d（机器人的方向），驾驶员需要使用操纵杆将机器人驱动到楼梯附近的目标区域。

图 3. 运动任务 - 间隙

对于跨越50cm间隙的任务，我们也预先规划了相关的原函数（输入变量为Gap的宽度l），驾驶员也需要使用摇杆驱动机器人到达目标区域. 另外，因为这个任务有一定的风险，所以我们会在实际跨越之前，使用Situation Prediction with Digital Twin，在模拟环境中根据不同的间隙宽度来运行跨越，以降低风险。

【提示】关于这个间隙50cm宽度的取值：Centauro机器人单腿长度为81.5cm，测评公司KHG要求机器人跨越的间隙宽度不小于50%机器人的腿长，即 40.75cm。 在仿真环境中，我们确定CENTAURO机器人可以完成50cm的跨度，所以我们在实际环境中选择了这个宽度，并做了一个实际的Demo验证。

操纵任务

在接下来的操作任务中，通过操作员的6D鼠标远程操作实现相应的控制。

图 4. 操纵任务 - 消防水带

在连接消防水带的任务中，手部操作分为以下两个步骤：首先，通过全驱动的雄克灵巧手，将水管连接到喷嘴上（精确定向定位），如图左4; 驱动的 HERI II 手动操作扳手执行 Robust 的高摩擦密封件扭转，如图 4 右图所示。

图 5. 操作任务 - 标准连接器

图 6. 操作任务 - CEE 连接器

在图5所示的标准插头插拔任务中，难点在于基于视觉和末端执行器的精确定位和运动执行，即对插拔端的方向一致性要求很高。插头插座（1ms级定位精度）。 该级别的定位精度对于固定底座、刚性部件、预先规划的工业机器人应用来说属于入门级，但对于移动底座、柔性部件（末端欠驱动机械手+关节SEA模块）和实时遥操作领域的应用场景机器人还是很有挑战性的——尤其是柔性部件和实时遥操作会给末端的定位精度带来不可避免的误差。 如图5所示，一个人插上插头可能只需要10秒。 CENTAURO在遥操作下耗时6分50秒，不得不说在运动能力和智力上远远落后于人类。

在图6插拔CEE插头的任务中，CEE版本的插头固定在底座上，有盖子需要向外翻。 这需要我们使用欠驱动的HERI II Hand打开插头的盖子，然后完成插头连接。 这个任务比较有挑战性的部分是避免末端执行器和外界的碰撞，如下动画所示： .

动画七、HERI II Hand 相机与外界相撞损坏

在以上两种双臂协同操作中，给予驾驶员的反馈信息不包括力反馈，驾驶员需要通过视觉信息粗略判断物理层面的接触信息。 在最后的外骨骼遥操作任务（Tele-presence Task）中，将引入力反馈信息进行遥操作控制。

图 8. 操纵任务 - 卸扣

这里的铁链螺栓固定是指机器人需要用螺栓将铁链连接到固定在墙上的金属环上，如图8-Schunk需要用灵巧的手握住金属环在下面使用-actuation HERI II Hand 的任务是操作销钉，销钉插入金属环后需要旋转销钉进行螺纹连接。

图 9. 操作任务 - 电动螺丝刀

在图 9 的任务中，使用机械手操作电动螺丝机更具挑战性，需要食指执行触发动作，而欠驱动的 HERI II Hand 需要做稳健的抓取以固定零件需要用螺丝固定。 木板。 整个任务用时10分钟完成，大部分时间花在了调整崇德灵巧手抓电动螺丝机的姿势上，因为一旦这个抓握姿势稍有偏差，就会导致崇德的食指灵巧的手移动。 扳机运动的失败——这种用灵巧的手来操作商用电动螺丝机的解决方案是非常不成熟的。 如果要找到可靠且低成本的解决方案，您仍然应该使用专门的集成电动螺丝机夹持器解决方案。

图 10. 操纵任务 - 电钻

在图10的任务中，最大的挑战在于【钻孔位置精度】这一点。 一个事实是电钻在钻孔过程中会带来较大的自振，所以不适合欠驱动机械手抓取——由于欠驱动机械手本身带来的关节灵活性，电钻会处于欠驱动的机械手中。 通过相对于其方向进行随机更改来控制末端的精度是困难的。 因此，如上图10所示，我们采用偏向于全驱动原理的Schunk灵巧手，相应手指上的刚性关节可以减少电钻震动带来的方位变化带来的负面影响。 但由于Schunk灵巧本身的抓力不足，最后还是会存在1cm左右的钻孔误差，导致本次任务得分偏低。 如上，仍应采用专用一体式电钻的支架方案。

移动+操作组合任务（Combined Task）

图 11. 组合任务 - 门

在图11所示的任务中，机器人首先需要用钥匙开门，然后转动门把手将门推开，最后使用万向轮进入门内。 从图11左图可以看出，我们在钥匙上加了一个“适配器”，这也是从KHG公司得到的相关资料——在目前的技术条件下，灵巧的手很难发挥出指尖上的力量很大。 此任务的技巧之一是赋予小钥匙打开锁的能力。 在这个混合任务中，手臂末端的操纵是通过驾驶员的6D鼠标实现的，而全向轮的运动是通过操纵杆控制实现的。

图 12. 组合任务 - 平台+阀门

在图12所示的任务中，首先要求机器人用腿脚踩在平台上，然后实现阀门的正反360°旋转，模拟开关阀的动作。 CENTAURO在平台上的踏步动作采用自主腿轮运动控制器，上半身的操作是通过基于上述上半身外骨骼服的遥操作。

这里需要提一下：由于外骨骼遥操作硬件传输误差的累积（外骨骼服的硬件误差+机器人本体手臂的误差），加上驾驶员的视觉误差和通信延迟，终端在任务中在旋转阀门的执行器中空间机器人及其遥操作，与外界有大量的物理相互作用（即碰撞）——如下面的图 13 所示。 得益于HERI II Hand的欠驱动原理所提供的灵活性，可以保证机械手本体不受损坏。 如果将这项任务换成采用部分全驱动原理的雄克灵巧手，将面临更大的硬件损坏风险。

动画13.外骨骼遥操作下，末端存在肉眼可见的定位误差，导致末端执行器与外界发生大量物理碰撞

图14 Combined Task - Pipe Star（管道之星-《水管之星》抱歉作者在这里没有找到很准确的中文解释，只能直译）

这里的Pipe Star是KHG提供的专业道具，用于测试机器人的运动和操作性能——如上图14所示，它由5根短水管组成（每根水管的位置和方向不同），每根水管的底部都有不同的图案，这就需要机器人能够移动每根遮住图案的水管，并通过视觉来判断对应的图案。 整体机器人的运动控制实现如下：用手柄控制万向轮运动，用6D鼠标控制末端执行器的运行，机器人腿部姿态（使末端执行器可以到达一个较低的地面操作空间）由上面提到的关键帧编辑器进行控制来确定。

这个任务对于低重心的AGV和履带式机器人来说相对容易，但是对于重心高、终端操作空间大的腿式机器人来说就非常具有挑战性——业界的一个Open Challenge是在大量的腿式机器人中. 机器人很难操纵地面空间，尤其是双足类人机器人。

自主任务

图 15. 自主任务 - 混合驱动步进运动(1)

图 16. 自主任务 - 混合驱动步进运动(2)

在图15-16的腿轮混合运动任务中，CENTAURO机器人先放在一堆碎石前，两步放在碎石后面。 该任务的目标是机器人通过自主导航和腿轮混合运动移动。 控制器，绕过砾石并爬上 2 个台阶。 CENTAURO 机器人在 30 秒内完成了地图构建、定位和路径规划，并成功绕过碎石，但在爬第二个楼梯时失去平衡，导致本次任务的最终得分较低。

原因是项目验收的一些硬件改动后，URDF文件没有及时更新。 使用旧的URDF模拟运行场景预测没有问题，但是在实际项目验收时就挂了（我们用的是CENTAURO上楼，经常放的Demo比较自信，但是也比较尴尬)——虽然URDF迟迟不更新的原因很无语，但就是发生了。

图 17. 自主任务 - 双手操作

在图17所示的双臂协同作业任务中，CENTAURO机器人需要自动识别桌上需要双手操作的未知工具，自主规划抓取轨迹和抓取方式，最后操作电动工具。 在实际任务中，机器人完成了对工具的自动识别，并规划了抓取的轨迹和方式。 但由于右手Schunk灵巧手的抓握姿势误差较小，在最后操作电动工具（食指扳机）时发生。 失败的。 这次触发运动的失败在意料之中——它对机械手和电动工具的相对位姿精度要求太高，只能在自主规划下偶然完成。

外骨骼遥操作任务（Tele-presence Task）

图 18. 远程呈现任务 - 用扳手转动阀杆

在图 18 所示的外骨骼遥控任务中，需要驾驶员和机器人抓起扳手拧紧相应的阀门。 在这个任务中，对于阀门所谓的“拧紧”是有一定要求的：由于机器人本体和外骨骼设备都具有力反馈的能力，所以在机器人运行后，评委们会使用扭力扳手检查是否“收紧”。 测量（最小阈值设置为3Nm）——即评估整个遥操作设备的力反馈性能。

在几项外骨骼遥操作任务中（不限于图18），总体结果是可以顺利完成（毕竟引入了人类智能），但问题是耗时是人类的10-15倍—— ——司机反馈的主要原因如下：

本文是 CENTAURO 系列的最后一篇文章。 CENTAURO项目是作者从2015年博士毕业到2018年11月一直在跟进的一个庞大项目，由来自欧洲9个研究所和大学的30多项科研成果组成。 这也对应了机器人方向的高度跨学科性。 自然，笔者没有能力面面俱到，但由于亲身参与，可以分享一些实际的项目工程经验，希望能有所帮助。

最后，ArXiv 上已经有相应的项目 Review 文章，请搜索以下链接获取更多信息：

结尾

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