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机器人世界杯工业联赛技术解析

RoboCup@Work League:专访Christoph Steup

RoboCup@Work联赛队伍在巴西活动现场

RoboCup是一项国际科学倡议,旨在推动智能机器人、人工智能和自动化技术的前沿发展。今年的RoboCup年度活动于7月15日至21日在巴西萨尔瓦多举行,来自全球的队伍参加了多个联赛的竞赛。通过一系列专访,我们了解了RoboCup理事会成员、委员会成员和参赛者各自联赛的更多信息。Christoph Steup是执行委员会成员,负责监督@Work联赛。在巴西活动之前,我们采访了Christoph,深入了解@Work联赛、队伍需要完成的任务以及联赛的未来计划。

能否先介绍一下@Work联赛?

@Work联赛与物流联赛共同组成工业联赛。目标是模拟工业生产系统的某些方面,其中工厂自动化和模拟未来工厂是重要组成部分。在未来工厂中,自主机器人将根据客户设计制造产品,每个客户都能获得单独定制的产品。

如今的工厂拥有大型传送带和高度自动化,任务大多以相同方式完成,只有生产数百万件产品才能实现高效制造。我们致力于实现单个零件的制造,在保持自动化的同时,即使单个零件也能有效生产。但在RoboCup竞赛中,不追求工厂规模,而是在很小规模上进行。机器人的典型尺寸为长80厘米,最宽约70厘米,部分高达80厘米,基本上能放入1立方米的空间内。所有操作都在地面上进行,这样简化了设置,建造大型工作台会增加成本但不会带来太多附加价值。

机器人需要在不同工作站间运输物体。场地有默认配置,工作站上放置着物体,其中一些需要被运送到其他工作站。机器人必须完全自主完成这些任务,这是@Work联赛的特殊之处——完全自主运行,每队只允许一次重启,因此机器人必须非常可靠。中等水平队伍和优秀队伍的主要区别在于,优秀队伍能始终保持稳定表现。

除了物体运输,队伍还需要完成其他任务吗?

联赛中还有一些特殊任务,比如精确放置任务,机器人需要将物体放入与其形状大小完全匹配的凹槽中,这有点像训练婴儿灵巧性的游戏。

还有受传送带启发的任务,使用不断旋转的桌子代替。机器人需要在桌子旋转时抓取物体。虽然看起来有些滑稽,但这是模拟传送带的方式。真正的传送带很难集成到比赛中,因此采用这种抽象方式,在保持挑战性的同时更易管理,但这仍然是非常困难的任务。

还会集成一些特殊挑战,例如机器人需要报告状态以便观察其行为。还有涉及人机协作的挑战:机器人将零件送到特定工作站,由人类组装,然后人类发出信号,机器人将零件运走。这旨在真实模拟自动化工厂流程。

过去还有机器人需要打开抽屉、取出物品再关上的挑战,以及处理易碎物体(如糖果)的任务,要求机器人操作时格外小心。

与物流联赛的主要区别在于,@Work更专注于操作技术及相关的各种困难,而物流联赛更侧重于大规模物流过程的优化和规划。

去年在埃因霍温的RoboCup上,各队伍的表现令人印象深刻,机器人的多样性和任务处理方式的差异也很有趣。

这种差异与联赛历史有关。物流联赛最初是德国某大型公司的赞助演示,@Work联赛则由某机器人公司赞助,最初要求所有队伍使用相同的机器人平台。后来赞助关系变化,队伍开始寻找替代方案,现在联赛中出现了各种不同的机器人,这种多样性很酷。不同的机器人在不同场景下各有优劣,这形成了科学的研究方法,从多个层面深入理解问题解决方案。

有没有发现某些挑战对所有队伍都特别困难?

2018年引入了"任意表面"挑战,在工作站上放置队伍未知的表面材料。有两种表面特别困难:一种是从足球比赛借鉴的草皮!刚性抓手的队伍会遇到困难,因为他们会连草皮一起抓起;而柔性抓手的队伍则难以判断是否成功抓取物体。不同方法在不同场景下各有优劣。

今年引入了新任务吗?

可以说是,也可以说不是。实际上引入了一个全新的智能农业挑战,这将联赛拓展到全新的应用领域。与加拿大某机器人公司合作,使用他们的硬件,已在德国公开赛上进行了尝试。

这个挑战的特殊之处在于,队伍在赛前很短时间才能拿到机器人,需要在很短时间内完成组装、编程和设计。为了补偿这一点,降低了对优化和鲁棒性的要求。农业环境中需要处理水果等物体,形状不规则且成熟度不同,增加了复杂性。还有从墙上采摘葡萄的任务,这与之前从表面抓取完全不同。

新的软件挑战是机器人的计算能力非常有限,仅使用树莓派,图像处理能力远不如当前一些嵌入GPU的机器人。

在过去一年左右,硬件或软件方面有哪些重大发展?

观察到的一大变化是从定制神经网络转向现成的物体检测组件。现在几乎所有队伍都使用YOLO网络,可以直接部署到嵌入机器人的GPU上。这也是机器人尺寸增大的原因之一,需要空间容纳更强的计算能力。这使得许多队伍能够可靠地检测物体,物体检测在联赛初期是个大问题,现在已基本解决。

第二个重大变化是转向具有更多自由度的更大机械臂。最初大家都使用只有5个自由度的小型机械臂,限制了操作范围;现在几乎所有队伍都使用6自由度机械臂,操作范围更大,不需要在工作站前移动机器人,速度更快、精度更高。

能谈谈联赛的未来计划吗?

有几个考虑方向:

关于竞赛本身,与队伍讨论了未来的兴趣方向。他们希望引入移动障碍物,让其他物体在场地中自主移动,正在与德国某教育机器人公司合作开发。还希望引入类人机器人处理特殊操作任务。

在创建入门级联赛方面,考虑将智能农业挑战作为切入点。通过与某公司的合作,可以向队伍提供机器人并在赛后保留。还与救援联赛讨论了交叉合作的可能性。

同时也在与物流联赛讨论。他们的赞助商已退出,需要重组。考虑将两个联赛更紧密地结合,甚至合并为单一的RoboCup工业联赛。物流联赛希望加强操作能力,@Work联赛希望加强规划能力,两者自然互补。但这目前只是想法,需要观察队伍的反应。

关于Christoph

Christoph Steup是活跃的研究人员,专攻群机器人、精准农业和天气弹性自动驾驶等多个机器人领域。目前在某研究机构领导群技术小组,此前曾领导某大学的计算智能机器人小组。他于2015年加入RoboCup,担任团队负责人,2017年成为@Work联赛技术委员会成员,2019年加入联赛执行委员会。
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