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赴瑞士洛桑联邦理工学院交流心得体会——王博省
时间:2018-06-12 来源:研究生思政办 编辑:yjssz 访问次数:7546

我这次留学的单位是瑞士洛桑联邦理工学院。洛桑联邦理工学院法文名称为école Polytechnique Fédérale de Lausanne,常简称为EPFL。该学院成立于1969年,在工程科技领域享有极高的声望,是一所世界顶尖的理工院校。它在2017/18年QS世界大学排名中列第12位,其中,工程技术和自然科学领域分别列世界第12和第11位。洛桑联邦理工非常重视与其他院校及企事业单位的合作,它在欧洲有270余项合作项目,与美国、加拿大和日本有超过179个合作交流计划。

我具体所在的实验室为仿生机器人实验室(Biorobotics lab,BioRob)。该实验室属于工程学院下属的生物工程研究所,其研究内容包括运动控制,感官运动协调控制以及基于动物和机器人的运动机理研究。该实验室通过机器人以及计算机仿真来探索和学习动物在运动控制方面的各种优点,进而提出全新的基于仿生概念的控制方法和机器人设计,最终提高机器人在复杂环境中的适应性和灵活性。该实验室的研究涉及了机器人学、计算神经科学、非线性动态系统以及机器学习等相关学科,开展的研究课题包括:运动控制的神经机制仿真,适用于运动控制的耦合非线性振荡器系统,自适应动态系统,两栖、腿式和可重构机器人的设计与控制,仿人及外骨骼机器人的控制。仿生机器人实验室目前拥有爬行四足机器人若干,仿狗四足机器人若干,双足机器人一台和球形可重组机器人一套,硬件基础比较完善。人员构成方面,包括实验室领导人Auke Jan Ijspeert教授,博士后五名,博士十余名,交流学生十余名。Ijspeert教授也是我这次交流学习的外方指导老师,其本人曾在《Science》和《Nature Communications》上发表文章,是仿生机器人领域的一流专家。他本人和蔼可亲,乐于与学生沟通。在这半年的交流期间,教授基本每隔两周即与我沟通交流一次,促进我了解实验室并与其他成员沟通,并向我推荐相关的优秀研究成果。

这次交流的研究项目为利用人机物理接触来控制机器人的前进轨迹。即通过惯性测量单元及力传感器来检测外力对机器人的干扰,从而设计算法使机器人产生相应的行走轨迹变化。项目使用硬件为EPFL仿生实验室所设计的最新一代仿生四足机器人Serval。博士生Peter Eckert为我提供硬件方面的帮助,控制方法则由我本人全部负责设计开发。

就最终结果而言,控制器以中枢神经模式发生器作为基本模块,结合了倒立摆模型和针对脊椎的虚拟弹簧控制,实现了机器人在较大力度的侧向推力下仍能维持预设前进轨迹,而在较小侧向推力下却可以实现侧向平移的功能。其他四足机器人基本无法在侧向推力下维持预设轨迹,均以侧向平移作为唯一应对策略。故在本次出国交流中,通过利用机器人脊椎实现的抗干扰功能是主要创新点。 交流的第一个月主要学习了Serval机器人的软件控制系统,同时通过一些评估测试要求更换了机器人腿部的负载弹簧。第二、三个月的研究内容是设计关于对角步态的开环控制器。该开环控制器实现了机器人稳定对角步态行走、稳定加速减速以及稳定侧向平移的目标。第四个月的研究内容包括设计机器人状态估计器设计以及开展初步闭环控制实验。设计状态估计器的目的是期望通过加速度计和陀螺仪的数据来估计机体速度。依据倒立摆模型,机体速度影响了侧向移动的步幅。而依据出国前的研究计划,应该依赖该状态估计器和倒立摆模型实现相关的反馈控制。但是由于时间过于仓促,以及加速度计和陀螺仪的噪声偏大,最终未能成功实现期望的状态估计器。初步闭环实验为测试支撑腿在侧向推力下能否维持机体平衡的实验。该实验方法也是依据倒立摆模型而设计,被控对象为支撑腿的位置,即暂时不考虑侧向的迈步动作。然而,由于机器人硬件可靠性以及快速响应能力较差,该方法没有达到预期效果。至此,得出原研究计划在该硬件无法成功实施的结论。最后两个月主要探索了适合Serval机器人的其他反馈控制方法,然后成功利用脊椎结合虚拟模型控制实现了对于侧向推力的抗干扰功能。实验结果也证明该方法大幅提升了机器人的抗干扰能力,且不会与开环控制产生冲突,最终实现了简单而高效的反馈控制器设计。交流最后由于时间所限并未及时发表会议论文。但是各项内容所需数据及影像资料已经记录完毕,且已经完成大致框架写作,经外方老师修改之后即可投出。

总体而言,这六个月的交流期间所从事的研究项目虽然未能按照原定计划进行,但是幸运的是通过其他方法实现了最终目的。所谓科研的曲折性,在这短短的六个月的交流中得到了充分的体现。尤其当研究的项目涉及到自己从未研究过的内容,且又要同时进行算法设计和硬件实验,唯有坚持不懈的探索和努力才能创造成功的可能。

这次去EPFL交流半年让我感受到了与国内实验室不同的研究氛围与习惯。相对于国内而言,EPFL的硕士并不承担主要科研任务,只是在做最后的毕业设计时才会在实验室工作,类似于国内本科生做毕设的状态,实际上也只能算作短期研究。此外,EPFL又很欢迎交换项目,我所在的实验室几乎每隔一两个月就会有新的短期交流生加入。这些交流生以及硕士毕设一般由实验室博士及博士后带领,完成了很多探索性的研究项目。其最终的意义,在我看来,虽然未能有很大的原创理论贡献或实际应用价值,但是却以较小的风险代价粗略评估了各种研究方法与方向,为后续的研究做了很好的铺垫。实验室的博士一般由博士后带领,参与具有长期规划的科学研究。这是一个很好的人员配置结构,在国内往往都是博士单独研究,缺乏足够的博士后力量。这种差别在我所在的机器人学科会导致科研效率的巨大差异。因为机器人学科是理论与实践相结合的学科,有时算法在计算机仿真中通过并不意味着其可以在实物实验中通过。大部分实验用机器人都需要定期校准和维修,乃至更新换代。这对于刚入门的博士而言,虽然耗费大量时间在硬件调试上也可以看作是一种经验积累,但是如果有相关博后的带领与指导,毫无疑问会大大缩短这个时间过程,有利于博士生投入更多精力在理论的创新与研究方面。此外,博士后也一般能针对博士实际遇到的问题给出比导师更加具体的建议,也有利于项目的推进。例如我与实验室研究双足机器人的博后Hamed Razavi也进行过多次交流,他给我的项目提出了很多有价值的建议,这些建议虽然未能在我的四足机器人上成功实施,但是也促使我尽早转换思路,让我意识到这可能是由于硬件方面的可靠性不同而引起的,并不是我的算法有什么巨大的缺陷。 在生活方面,瑞士的自然环境和当地人的友好让我印象深刻。相较于国内而言,瑞士很少见到高楼大厦,除了非常热闹的市中心之外,其他地方俨然一副鸟语花香的田园景观,让人心旷神怡。在我居住的小区,基本上路上碰到陌生人都会主动与我问好。虽然这可能仅仅是一种习惯,但是却能让人有一种融入当地的感觉。不过,我也经常能在商店看到中国制造的商品,包括服装、手机和其他数码产品等,这些也都融入了当地人的生活。所以其实任何人的生活都不能称作是百分百的本土特色。除了自然环境的确有差距之外,其他方面可能只是方式与习惯的不同。

    最后感谢学校和学院为我的这次交流提供了充分的保障,感谢我的国内及国外导师给我提供了诸多科研及生活方面的帮助。除了科研上的有惊无险,这次交流给我带来的自信与成熟也是十分宝贵的财富。希望有朝一日科研实力提升之后还能有机会去EPFL交流访问,想必又是一番不同的感受。


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左上:实验机器人Serval。右上:与机器人设计者Peter Eckert的合影。

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左下:参与实验室组织的滑雪活动。右下:雪中的EPFL校园