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圖片來(lái)源：加州大學(xué)伯克利分校
雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：就像人類和大多數(shù)陸地動(dòng)物一樣，步行機(jī)器人需要具備在崎嶇地面行走的能力。它們會(huì)被用于災(zāi)害應(yīng)對(duì)和搜救工作。然而，設(shè)計(jì)一個(gè)控制算法讓機(jī)器人能夠適應(yīng)不連續(xù)的地面環(huán)境是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作。因?yàn)樗鼘?duì)立足點(diǎn)的選擇要求及其嚴(yán)格，不能受到任何妨礙。它的運(yùn)動(dòng)由復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)方程控制。
受益于近期最優(yōu)和非線性控制系統(tǒng)取得的進(jìn)步，來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校和卡耐基梅隆大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員展示了他們的成果。 ATRIAS 機(jī)器人可以在踏腳石上機(jī)動(dòng)步行。這些踏腳石的間距和高度都是隨機(jī)變化的。
步行機(jī)器人的神奇之處在于它能夠在不規(guī)則的崎嶇地面上行走。和輪式機(jī)器人遇到溝壑或者高度明顯改變就躊躇不前相比，它則是個(gè)多面手。雙足機(jī)器人可以順利穿過(guò)不連續(xù)、不可預(yù)測(cè)的地面。這使它成為空間探索，災(zāi)害應(yīng)對(duì)以及個(gè)人機(jī)器人的理想選擇。在城市環(huán)境中，樓梯，墊腳石等都是為人類設(shè)計(jì)的。個(gè)人機(jī)器人需要在這些不連續(xù)的地面上行走。
事實(shí)上，機(jī)器人領(lǐng)域的「W 獎(jiǎng)」就旨在挑戰(zhàn)先進(jìn)的機(jī)器運(yùn)動(dòng)技術(shù)，包括在踏腳石和樓梯上進(jìn)行穿越的任務(wù)（http://www.wprize.org/index.html）。從 2015 DARPA 機(jī)器人挑戰(zhàn)賽來(lái)看，雖然過(guò)去幾年步行機(jī)器人在機(jī)械設(shè)計(jì)和控制策略方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但距離部署在真實(shí)世界中還很遠(yuǎn)。目前最先進(jìn)的機(jī)器人還停留在準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)的水平，對(duì)干擾的抵抗力不強(qiáng)，而且能效低。
即使對(duì)下肢外骨骼來(lái)說(shuō)，在不連續(xù)的地面上行走也是很有挑戰(zhàn)的，現(xiàn)在還需要使用者借助額外的平衡機(jī)構(gòu)，比如拐杖。并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)不使用手的動(dòng)態(tài)步行。最近 Cybathlon 競(jìng)賽上，使用外骨骼在踏腳石上行走的表現(xiàn)已經(jīng)說(shuō)明了一切。通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)器人和反饋算法來(lái)保證在復(fù)雜地形條件下精確的踏腳位置，研究人員可以開(kāi)發(fā)出新的機(jī)器人應(yīng)用，并且將這個(gè)想法移植到生物機(jī)電設(shè)備，用于增強(qiáng)人類能力。
圖片來(lái)源：加州大學(xué)伯克利分校。ATRIAS 雙足機(jī)器人在隨機(jī)間距和高度的不連續(xù)地面上行走
在加州大學(xué)伯克利分?；旌蠙C(jī)器人小組（Hybrid Robotics Group，以前在卡耐基梅隆大學(xué)），研究人員已經(jīng)在針對(duì)高自由度的雙足機(jī)器人開(kāi)發(fā)形式化的控制框架。它不僅可以保證在不連續(xù)地面上精確的踏腳位置。還針對(duì)模型不確定和外力具有更強(qiáng)的健壯性。這個(gè)方法獨(dú)立于具體的機(jī)器人。它已經(jīng)在 RABBIT，ATRIAS 和 DURUS 等機(jī)器人上進(jìn)行了測(cè)試。
而且，這些機(jī)器人只知道下一步的位置，并不知道在它們前面的是何種地形。這些都接近機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中會(huì)遇到的場(chǎng)景。研究人員已經(jīng)在 ATRIAS 雙足機(jī)器人平臺(tái)上測(cè)試了這個(gè)控制算法。它可以實(shí)現(xiàn)在間距 30 至 60 厘米，高度差 22 厘米的隨機(jī)不連續(xù)地面上以平均 0.6 米每秒的速度動(dòng)態(tài)行走。
研究人員們相信這是雙足機(jī)器人首次實(shí)現(xiàn)在間距和高度隨時(shí)變化的踏腳石上行走。
為什么這樣的不連續(xù)行走對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)是一個(gè)難題？首先，雙足機(jī)器人是一個(gè)高自由度的系統(tǒng)。它的運(yùn)動(dòng)由復(fù)雜的非線性微分方程來(lái)控制。這些方程捕捉與地面交互的混合動(dòng)態(tài)。機(jī)器人必須通過(guò)不斷與周圍環(huán)境建立和斷開(kāi)連接的方式實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的交互。
另外，像 ATRIAS 這樣的機(jī)器人是欠驅(qū)動(dòng)的，也就是說(shuō)在腳踝部沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器。為了讓大家能體會(huì)這有多難，想象一下踩著高蹺跨過(guò)踏腳石或者爬一段樓梯的情景。唯一保持平衡的辦法就是不斷前進(jìn)。在踏腳石的問(wèn)題上需要對(duì)落腳點(diǎn)有嚴(yán)格的約束。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)世界中這些踏腳石還可能傾倒（不久的將來(lái)需要研究的問(wèn)題）。機(jī)器人需要面對(duì)的另一個(gè)物理限制是電機(jī)扭矩限制和摩擦力（機(jī)器人不能打滑）。所有這些限制可能互相矛盾，這使控制的設(shè)計(jì)過(guò)程非同尋常。
踏腳石問(wèn)題已經(jīng)得到廣泛研究，產(chǎn)生了一些讓人印象深刻的成果，比如 Valkyrie 和 ATLAS。但是與本文介紹的動(dòng)態(tài)步行方法不同，他們的機(jī)器人傾向于使用準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)（雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論注：想想波士頓動(dòng)力系列機(jī)器人經(jīng)典的原地踏步式的調(diào)整動(dòng)作）。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的非線性推斷，以及近期最優(yōu)和非線性控制技術(shù)的進(jìn)步，研究人員可以指定控制目標(biāo)和期望的機(jī)器人行為在一種簡(jiǎn)單和緊湊的形式之下，同時(shí)提供正式的穩(wěn)定性和安全性的保證。這就意味著在簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)性視頻的支持下，機(jī)器人可以在不連續(xù)的地面上行走而不會(huì)打滑或跌落。
照片來(lái)源：加州大學(xué)伯克利分校
目前，他們的機(jī)器人還沒(méi)有視覺(jué)，他們需要給機(jī)器人提供周圍環(huán)境的信息，比如下一塊踏腳石的位置。研究人員正在將地形高度分割和深度學(xué)習(xí)等計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法集成到控制器當(dāng)中。這將使機(jī)器人可以推斷周圍的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)完全的自主系統(tǒng)。一個(gè)新的機(jī)器人 Cassie 馬上就會(huì)來(lái)到伯克利，研究人員打算將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)世界中踏腳石上的三維行走。
從長(zhǎng)期來(lái)看，這個(gè)研究將幫助雙足機(jī)器人在崎嶇地面自主行走，無(wú)論是在室內(nèi)（比如樓梯和狹窄的走廊）還是在室外（比如叢林小道）。研究的主要部分包括安全性，健壯性以及靈活性。也就是說(shuō)，研究人員希望機(jī)器人在受到外力干擾時(shí)，能夠選擇正確的方法避免跌落。
這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用非常廣泛：搜救，自主人形機(jī)器人可以替代人類救生員；探索未知區(qū)域，比如地面崎嶇不平的其他星球；或者作為家用的個(gè)人機(jī)器人。另外，開(kāi)發(fā)雙足機(jī)器人的方法可以用于增強(qiáng)人類能力的機(jī)器設(shè)備，比如下肢外骨骼。
研究人員介紹： 本文作者 Ayush Agrawal 是加州大學(xué)伯克利分?；旌蠙C(jī)器人小組的博士研究生。他的工作是雙足機(jī)器人和外骨骼，Quan Nguyen 剛剛在卡耐基梅隆大學(xué)完成了它的博士課程，他的工作是不連續(xù)地面的雙足機(jī)器人魯棒控制。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人是 Koushil Sreenath 教授。他們是隨機(jī)不連續(xù)地面動(dòng)態(tài)雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)研究論文的主要作者。這篇論文提交給了《國(guó)際機(jī)器人研究雜志》。
更早期的 ATRIAS 研究文獻(xiàn)可參考 http://www.cs.cmu.edu/~hgeyer/Publications/HubickyEA17RAM.pdf
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