提起機(jī)器狗，我們很可能會(huì)想到全球機(jī)器人開(kāi)發(fā)領(lǐng)域頭部公司波士頓動(dòng)力的「網(wǎng)紅」Spot。

但放眼全球，設(shè)計(jì)機(jī)器狗的公司并非僅波士頓動(dòng)力一家。

2020 年 10 月，瑞士 ANYbotics 公司設(shè)計(jì)的機(jī)器狗 ANYmal 登上 Science 子刊、機(jī)器人頂刊 Science Robotics 封面。

11 月 20 日，出自騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室的 Jamoca 作為國(guó)內(nèi)首個(gè)能完成走梅花樁復(fù)雜挑戰(zhàn)的機(jī)器狗亮相。

而自 2018 年以來(lái)，由云深處科技設(shè)計(jì)的「絕影」也逐漸進(jìn)入眾人視野，開(kāi)始尋找合適的商用場(chǎng)景。

從 2018 年 3 月刷爆朋友圈，到 2018 年 12 月經(jīng)迭代獲得了具備跑步、上下臺(tái)階的能力，再到 2019 年 11 月實(shí)現(xiàn)了奔跑、跳躍步態(tài)，機(jī)器狗「絕影」相關(guān)技術(shù)一直在不斷發(fā)展。

近日，「絕影」更是登上了最新一期 Science Robotics 雜志封面。

機(jī)器狗學(xué)習(xí)「專家技能」

2020 年 12 月 9 日，「絕影」相關(guān)論文正式發(fā)表于 Science Robotics，題為 Multi-expert learning of adaptive legged locomotion（適應(yīng)性腿部運(yùn)動(dòng)的多專家學(xué)習(xí)）。

研究團(tuán)隊(duì)表示：

理解和創(chuàng)造適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)，是機(jī)器人領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)科研主題。

自然，機(jī)器人要想實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)，需要具備能夠適應(yīng)前所未見(jiàn)的情況的運(yùn)動(dòng)技能。

論文介紹，在無(wú)法預(yù)料的環(huán)境下，機(jī)器人很可能出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)故障——通常，機(jī)器人失去平衡的一秒內(nèi)便會(huì)摔倒，防止其跌倒的時(shí)間范圍約為 0.2-0.5 秒，在這短短的區(qū)間內(nèi)，要協(xié)調(diào)不同的運(yùn)動(dòng)模式，從而減輕其受到的干擾，防止故障或從故障中恢復(fù)。

下圖 A 展示了「絕影」在測(cè)試中遇到的三種具有挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景，或是機(jī)身意外碰到了地面，或是直接翻車。

最初，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)有兩條思路：

• 站在神經(jīng)學(xué)角度，動(dòng)物的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（sensorimotor control system）如何處理各種感覺(jué)信息、并在看不見(jiàn)的情況下產(chǎn)生適應(yīng)反應(yīng)，是一個(gè)值得深究的話題；

• 而站在機(jī)器人角度，受生物啟發(fā)，將生物原理（如原始神經(jīng)回路）轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的行為，是個(gè)有趣的領(lǐng)域。

但由于運(yùn)動(dòng)皮層的潛在機(jī)制還不能完全復(fù)制，研究團(tuán)隊(duì)選擇了后者——從生物運(yùn)動(dòng)控制中獲得靈感，開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)技能適應(yīng)的學(xué)習(xí)算法。

具體來(lái)講，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的「多專家學(xué)習(xí)體系結(jié)構(gòu)」（multi-expert learning architecture，MELA），可從一組具有代表性的專家技能中學(xué)習(xí)生成自適應(yīng)技能。

首先，在各自的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）中，一組（8 個(gè)）經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的專家技能對(duì) MELA 進(jìn)行初始化。

然后，通過(guò)門控神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）學(xué)習(xí) DNN 的組合，MELA 獲得更多的跨各種運(yùn)動(dòng)模式的專家技能、過(guò)渡技能。

運(yùn)行過(guò)程中，MELA 不斷混合多種 DNN，動(dòng)態(tài)合成一種新的 DNN，以產(chǎn)生適應(yīng)環(huán)境變化的行為。

研究團(tuán)隊(duì)提到：

MELA 實(shí)際上就是由 DNN 和 GNN 組成的分層強(qiáng)化學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)表示：

這種方法充分利用了訓(xùn)練有素的專家技能和快速在線上綜合的適應(yīng)性策略，在不斷變化的任務(wù)中生成響應(yīng)性運(yùn)動(dòng)技能。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)主要分兩層對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制：

• 底部層：使用轉(zhuǎn)矩控制打造關(guān)節(jié)阻抗；

• 頂部層：指定深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN），確定關(guān)節(jié)固定點(diǎn)，調(diào)節(jié)姿勢(shì)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，從而建立力與環(huán)境的相互作用。

通過(guò)這樣的框架，研究團(tuán)隊(duì)在機(jī)器狗身上成功演示了多種運(yùn)動(dòng)技能，比如在平路、樓梯、蹺蹺板、礫石堆等路面自主進(jìn)行連貫的小跑、轉(zhuǎn)向和跌倒后起身。同時(shí)，「絕影」還展示了 MELA 生成行為的優(yōu)勢(shì)，這些行為可以適應(yīng)一些不可見(jiàn)的、完全陌生的場(chǎng)景。

至此，「絕影」在應(yīng)對(duì)地震等自然災(zāi)害時(shí)將更加敏捷了。

絕影，在云深處

該論文作者來(lái)自愛(ài)丁堡大學(xué)信息學(xué)院、浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，其中就包括朱秋國(guó)——「絕影」項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院講師、碩導(dǎo)。

據(jù)浙江大學(xué)官網(wǎng)信息，朱秋國(guó)教授：

• 2003-2008 年就讀于浙江大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，獲機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)士；

• 2008-2011 年就讀于浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，獲控制科學(xué)與工程專業(yè)碩士學(xué)位；

• 2017 年至今，浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)博士在讀。

早在 2011 年，朱秋國(guó)教授就加入浙大智能系統(tǒng)與控制研究所，專注仿生機(jī)器人、機(jī)器智能等研究，成為「絕影」等項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

其實(shí)，朱秋國(guó)教授還有一個(gè)名銜——云深處科技（DeepRobotics）創(chuàng)始人。

2017 年 11 月，這家專注移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的公司成立。雷鋒網(wǎng)注意到，云深處科技官網(wǎng)顯示著四款功能不同的機(jī)器人（絕影 Mini Lite、絕影 Mini、絕影和絕影 Pro），應(yīng)用場(chǎng)景涵蓋了教育科研、安防巡檢、物流運(yùn)輸?shù)取?/span>

一直以來(lái)，外界將云深處科技稱為是“中國(guó)版波士頓動(dòng)力”，2018 年朱秋國(guó)教授曾表示：

雖然絕影與波士頓動(dòng)力公司的產(chǎn)品相比，從步態(tài)功能、行走速度到適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等能力還有一些差距，但至少這是一個(gè)起步，表明開(kāi)始有了自己的研究平臺(tái)，有了自己的控制模型與算法。只要通過(guò)對(duì)其不斷進(jìn)行優(yōu)化迭代，差距會(huì)不斷縮小，中國(guó)未來(lái)肯定也會(huì)出現(xiàn)類似波士頓動(dòng)力公司一樣的黑馬。

如今這家公司四足機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展獲得了國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊的認(rèn)可，未來(lái)還將會(huì)有怎樣的突破，我們拭目以待。

引用來(lái)源：

https://robotics.sciencemag.org/content/5/49/eabb2174

http://www.cse.zju.edu.cn/redir.php?catalog_id=1055601&object_id=1172993

https://person.zju.edu.cn/0011353#

http://www.cse.zju.edu.cn/redir.php?catalog_id=1055601&object_id=1076167

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