穩(wěn)過 Spot？Science 子刊封面論文揭示機(jī)器狗 ANYmal 如何「憑感受」小跑

本文作者：付靜

2020-10-27 17:26

導(dǎo)語：DARPA 機(jī)器人地下挑戰(zhàn)賽中，這只狗子也沒有令人失望。

這是美國(guó)波士頓動(dòng)力家價(jià)值 52.73 萬人民幣的機(jī)器大黃狗子 Spot，它能尬舞、當(dāng)保安、放羊、巡邏檢測(cè)，可以說是樣樣精通。

最近，就在一只 Spot 遠(yuǎn)赴烏克蘭切爾諾貝利核電站勘察輻射污染分布時(shí)，瑞士一家 ANYbotics 公司的機(jī)器狗也亮相了。

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這只紅色狗子據(jù)說也擅長(zhǎng)在復(fù)雜地形中自如行走。

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這只勝似 animal 的狗子大名就叫 ANYmal，它還登上了 Science 子刊、機(jī)器人頂刊 Science Robotics 最新一期的封面。

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憑借本體感受控制運(yùn)動(dòng)

2020 年 10 月 21 日，一篇揭示 ANYmal 機(jī)器狗如何在復(fù)雜地形中如履平地的論文發(fā)表于 Science Robotics，題為 Learning quadrupedal locomotion over challenging terrain（在具有挑戰(zhàn)性的地形上學(xué)習(xí)四足移動(dòng)）。

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這項(xiàng)研究的科研團(tuán)隊(duì)來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院機(jī)器人與人工智能實(shí)驗(yàn)室、英特爾智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。

上海交通大學(xué)教授、國(guó)家 973 計(jì)劃首席科學(xué)家高峰曾在 2018 年世界機(jī)器人大會(huì)期間表示：

輪式機(jī)器人最終將會(huì)走向足式機(jī)器人，而四足機(jī)器人有更好的運(yùn)動(dòng)能力。

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正如論文介紹，足式運(yùn)動(dòng)可將機(jī)器人的活動(dòng)范圍擴(kuò)展到一些極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。不過，傳統(tǒng)足式運(yùn)動(dòng)控制器所依靠的是能明顯觸發(fā)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)原語和反射執(zhí)行（motion primitives and reflexes）的「狀態(tài)機(jī)」（state machines）。

可以說，這種設(shè)計(jì)保證了機(jī)器人可在各種復(fù)雜場(chǎng)景中進(jìn)行四足運(yùn)動(dòng)，但并未達(dá)到自然界動(dòng)物那樣的運(yùn)動(dòng)水平。畢竟，高度不規(guī)則的輪廓、種類多樣的地形、容易打滑的表面、障礙物，都是潛在的阻礙因素。這種情況下，機(jī)器人可能因?yàn)榇蚧テ胶猓踔翆?dǎo)致災(zāi)難性的故障。

而更為嚴(yán)重的情形是，機(jī)器人無法獲得地形物理特性的準(zhǔn)確信息——包括相機(jī)、激光雷達(dá)在內(nèi)的感受性傳感器無法可靠地測(cè)量物理特性（如摩擦力、柔度）。

針對(duì)這種情況，科研人員提出了一種魯棒控制器——在運(yùn)動(dòng)控制中加入本體感受反饋（proprioceptive feedback），這種反饋來自兩種足式機(jī)器人最為耐用、可靠的傳感器：聯(lián)合編碼器和慣性測(cè)量單元（如下圖）。

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此前已有科研團(tuán)隊(duì)通過以下兩種成果，成功實(shí)現(xiàn)了足式機(jī)器人從仿真到物理環(huán)境的應(yīng)用：

對(duì)包括制動(dòng)器在內(nèi)的物理系統(tǒng)建模；
物理參數(shù)隨機(jī)化：參數(shù)在模擬和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)不同，這一做法可使控制器對(duì)各種情況都具有魯棒性，無需預(yù)先進(jìn)行精確建模。

不過，科研人員在仿真環(huán)境中訓(xùn)練了控制器后發(fā)現(xiàn)，ANYmal 仍然不足以在崎嶇的地形上如履平地。

出于這一原因，科研人員又引入了三步（如下圖）。

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時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)（TCN）：可以根據(jù)本體感受狀態(tài)的擴(kuò)展歷史產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。
特權(quán)學(xué)習(xí)：將訓(xùn)練過程分解為兩個(gè)階段，首先訓(xùn)練一個(gè)能夠感知地形和機(jī)器人與地面之間接觸情況的「教師」，然后「教師」指導(dǎo)純粹本體感受的「學(xué)生」（即控制器）進(jìn)行學(xué)習(xí)。
自適應(yīng)地“合成”地形：根據(jù)控制器在訓(xùn)練過程中不同階段的表現(xiàn)，綜合形成對(duì)地形物理特征的準(zhǔn)確感知，最終控制器極具靈活性。

狗子可在各種地形小跑

科研人員表示：

我們的研究表明，無需進(jìn)行精確建?；蛞幌盗形ｋU(xiǎn)而又成本高昂的實(shí)地試驗(yàn)，ANYmal 的控制器就可以馴服物理世界異常復(fù)雜的各種地形。

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據(jù)了解，利用這種控制器的驅(qū)動(dòng)，兩代 ANYmal 機(jī)器狗可在包括泥土、沙子、碎石、茂密的植被、積雪、流水等各種環(huán)境中小跑，而這種「測(cè)試環(huán)境」已經(jīng)超出了此前所有足式機(jī)器人的研究范圍。

看著的確挺穩(wěn)！

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在室內(nèi)試驗(yàn)中，ANYmal 正在上臺(tái)階，其高度為 16.8 厘米，這個(gè)高度高于平坦地形上正常行走時(shí)狗子腿部的間隙。

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實(shí)際上，DARPA（美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）機(jī)器人地下挑戰(zhàn)賽中也有 ANYmal 的身影。

這一競(jìng)賽的目的是開發(fā)可快速繪制、導(dǎo)航和搜索復(fù)雜地下環(huán)境（包括隧道、城市地下和洞穴網(wǎng)絡(luò)）的機(jī)器人系統(tǒng)。按規(guī)定，比賽期間操作人員不得協(xié)助機(jī)器人，僅允許遠(yuǎn)程操作。因此，這要求上述控制器在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)無故障地執(zhí)行。

而 ANYmal 和它的控制器的表現(xiàn)沒有令人失望：控制器在長(zhǎng)達(dá) 60 分鐘的四個(gè)任務(wù)中控制了兩個(gè) ANYmal-B 機(jī)器狗，整個(gè)比賽中控制器的失效率為零。

下圖顯示的是比賽中機(jī)器狗正在穿越陡峭的樓梯。

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