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| 本文作者： 付靜 | 2020-11-20 17:44 |
少林從師數(shù)十冬，梅花樁上練真功。持之以恒銳意修，定可成名蓋群雄。
中國功夫里，梅花樁是一項(xiàng)重要訓(xùn)練道具。你問我梅花樁是什么？大概就長這樣：
誒等等，梅花樁上有個(gè)什么生物？
噢，這是鵝廠今天官宣的狗子 Jamoca。
出自騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室的 Jamoca 來頭不小，它是國內(nèi)首個(gè)能完成走梅花樁復(fù)雜挑戰(zhàn)的四足機(jī)器人。
當(dāng)然，和 Jamoca「師出同門」的一款小摩托也在剛剛首次對外亮相。
小摩托是一款自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人，其相關(guān)研究成果還入選了機(jī)器人行業(yè)的頂級(jí)會(huì)議 IROS 2020。
一起康康騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室在機(jī)器人移動(dòng)能力上的最新技術(shù)突破。
四足移動(dòng)機(jī)器人我們可能沒少聽過，其實(shí)它就是機(jī)器狗。
比如美國波士頓動(dòng)力公司的一只賣 53 萬的網(wǎng)紅狗子 Spot。
再比如上個(gè)月登上學(xué)術(shù)期刊 Science Robotics 封面的瑞士狗子 ANYmal。
那么中國的機(jī)器狗有哪些亮點(diǎn)？
軟件上，騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室基于自研的機(jī)器人控制技術(shù)，為 Jamoca 打造了一個(gè)能應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的智能大腦。
硬件上，Jamoca 由外部提供的平臺(tái)改裝而成，重約 70 公斤，長 1 米、寬 0.5 米、站高 0.75 米。
軟硬件加持下，Jamoca 能行走、小跑和跳躍，自主定位和避障自然不在話下。
真這么強(qiáng)，出來溜溜？
這不，挑戰(zhàn)來了——第一步，上高 60 厘米、呈 20° 斜面角度的臺(tái)階；第二步，走鄰樁最大高度差 16 厘米、間距不等的梅花樁。
這其中，考驗(yàn)狗子移動(dòng)能力的難點(diǎn)有二：
理解梅花樁的排布（包括位置和高度）；
選擇最佳落腳點(diǎn)及路線并穩(wěn)定精準(zhǔn)地行走（落腳到梅花樁中心點(diǎn)）。
正如騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室研究員所說：
和國際上其他四足機(jī)器人走木塊的場景比較，此次 Jamoca 所挑戰(zhàn)的梅花樁落腳面積更小、高度更高，并有臺(tái)階的組合，實(shí)現(xiàn)的難度要更大。
而這兩大難點(diǎn)恰巧對應(yīng)了鵝廠在移動(dòng)技術(shù)方面深耕的兩個(gè)核心技術(shù)模塊：「感知」和「運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制」。同時(shí)，二者通過另一核心技術(shù)模塊「整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建」，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性的集成融合。
從 Jamoca 的挑戰(zhàn)來看，它已然達(dá)到了這樣的標(biāo)準(zhǔn)——誤差 1 厘米內(nèi)的感知定位、根據(jù)環(huán)境進(jìn)行的 10 毫秒級(jí)路線規(guī)劃、基于動(dòng)力學(xué)的 1KHz 實(shí)時(shí)力矩控制、梅花樁中心點(diǎn) 1 厘米內(nèi)的落腳誤差，以及全系統(tǒng)的高度協(xié)同。
這背后，其實(shí)是騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室在這幾方面下了功夫：
精準(zhǔn)環(huán)境感知方面，Jamoca 創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了魯棒的眼腳標(biāo)定，并利用 RGB-D 相機(jī)對周圍環(huán)境實(shí)時(shí)感知；通過特征點(diǎn)匹配的方式，對 Jamoca 自身的運(yùn)動(dòng)軌跡在線跟蹤；將基于視覺的定位信息與基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的里程計(jì)信息和 IMU（慣性測量單元） 數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提高了定位追蹤的精度和頻率；利用算法識(shí)別和提取出臺(tái)階和梅花樁的表面區(qū)域范圍和中心點(diǎn)位置，將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，重建出整個(gè)三維運(yùn)動(dòng)場景。
最優(yōu)運(yùn)動(dòng)線路規(guī)劃和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制方面，Jamoca 基于實(shí)時(shí)感知到的本體及梅花樁位置信息，基于質(zhì)心動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)心軌跡生成和落腳點(diǎn)規(guī)劃。在保證機(jī)器人的四條腿可以安全地踏到下一步的梅花樁的同時(shí)，優(yōu)化出一條本體移動(dòng)長度最短、綜合耗力最小的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且可以在線持續(xù)地進(jìn)行上述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
基于實(shí)時(shí)本體狀態(tài)估計(jì)，Jamoca 能結(jié)合質(zhì)心動(dòng)力學(xué)模型來構(gòu)建優(yōu)化問題，實(shí)時(shí)求解機(jī)器人足端所需的地面反作用力，并結(jié)合反饋控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)魯棒的實(shí)時(shí)力控，可完成行走、對角小跑以及跳躍等的運(yùn)動(dòng)控制。
總而言之，相比一些預(yù)先設(shè)計(jì)好規(guī)則后做重復(fù)運(yùn)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，Robotics X 實(shí)驗(yàn)室更關(guān)注機(jī)器人有意識(shí)、有判斷的自主特性研究，希望有很大不確定性的動(dòng)態(tài)環(huán)境里，機(jī)器人學(xué)會(huì)自主做決策、完成任務(wù)。
現(xiàn)階段，Jamoca 主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部科研實(shí)驗(yàn)，未來它還能幫助機(jī)器人小伙伴們更好地適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，小小期待一下它成名蓋群雄的模樣吧。
就在 Jamoca 苦苦練功的時(shí)候，師兄小摩托在國際上已經(jīng)小有名氣了。
小摩托大名叫做自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人，也可稱之為自平衡自行車，是騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室的首個(gè)整機(jī)自研機(jī)器人。
此前舉行的機(jī)器人頂會(huì) IROS 2020 上，騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合國際團(tuán)隊(duì)，發(fā)布了兩篇平衡控制方向的 Oral 論文。
一是與紐約大學(xué)的論文《自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人的非線性平衡控制：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)》，主要關(guān)注自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)靜態(tài)平衡控制的穩(wěn)定性問題。
在傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室增加了動(dòng)量輪和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用了級(jí)聯(lián)與阻尼配置的無源控制（Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control, IDA-PBC）方法，并應(yīng)用李雅普諾夫理論，從理論上證明了自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。
二是《自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人平衡的增益規(guī)劃控制器設(shè)計(jì)》——不同于傳統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)平衡區(qū)分對待，研究團(tuán)隊(duì)建立了可以同時(shí)描述輪式移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型。
基于統(tǒng)一模型，動(dòng)態(tài)平衡和靜態(tài)平衡對不同驅(qū)動(dòng)輸入的依賴程度不同，無法使用同樣的控制參數(shù)。因此，研究團(tuán)隊(duì)使用了基于增益規(guī)劃（Gain Scheduling）的控制方法，在兩種情況下都能保持輪式機(jī)器人的平衡。
兩份研究展現(xiàn)了小摩托軟件方面的研發(fā)思路。
而硬件上，該平臺(tái)完全由騰訊 Robotics X 自研，重約 15 公斤，長 1.15 米，高 0.52 米。
再看看小摩托究竟有多穩(wěn)。
比如試著放一杯咖啡上去。
靜止、前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎，都不用擔(dān)心咖啡灑出來。
這是由于：
相比傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人，小摩托增加了動(dòng)量輪及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
它的控制能力可細(xì)分為行進(jìn)中的動(dòng)態(tài)自平衡和停止行進(jìn)時(shí)的靜態(tài)自平衡，應(yīng)用角動(dòng)量守恒的原理實(shí)現(xiàn)自平衡控制。
甚至鵝廠員工狠心攻擊，依靠平衡算法的小摩托也毫無壓力。
蕪湖~再來上個(gè)坡。
在不同的路面狀況下，都表現(xiàn)出了較好的運(yùn)動(dòng)能力和平衡性能。甚至對于行駛路徑上存在特定約束的情況，比如沿著獨(dú)木橋行駛的場景，它也能從容應(yīng)對。
移動(dòng)是機(jī)器人最基礎(chǔ)的能力之一，而移動(dòng)又可分為四個(gè)技術(shù)模塊：機(jī)械設(shè)計(jì)、感知、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制、整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建。
通俗的說，前三者是機(jī)器人的軀干、眼睛和大腦，最后一項(xiàng)則是各“器官”協(xié)調(diào)的能力。
不論是 Jamoca 還是小摩托，都是騰訊在機(jī)器人移動(dòng)能力方向上的重要研究進(jìn)展。
正如騰訊 Robotics X 與騰訊 AI Lab 實(shí)驗(yàn)室主任張正友博士所說：
移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)能力，是機(jī)器人最核心、也是最基本的能力之一，決定了它能去到什么場景，做什么事情，未來有什么樣的想象力。我們很高興能看到這兩項(xiàng)進(jìn)展，并將繼續(xù)深入探索機(jī)器人的通用能力，為虛擬到真實(shí)世界搭建一個(gè)有力的橋梁。
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