Google那個(gè)Atlas機(jī)器人，是如何一步一步進(jìn)化到現(xiàn)在逆天的樣子？

本文作者：栗向?yàn)I

2016-02-25 13:39

導(dǎo)語：來，我們聊一聊刷爆朋友圈的Atlas的進(jìn)化史。

【編者按】本文作者@沐陽浸月，中科院自動(dòng)化所復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生，主攻機(jī)器人與人工智能。

2016年2月23日，波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamics）在YouTube上發(fā)布了一段關(guān)于公司新成果的一段視頻，在不到一天的時(shí)間就得到了上十萬次的點(diǎn)擊量，這段視頻描述的正是新一代Atlas穩(wěn)定且出色完成任務(wù)的各項(xiàng)場(chǎng)景。

去年年初，為了參加2015年六月初的DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽，Atlas已經(jīng)完成了自己的一次進(jìn)化，其全身的百分之七十五都被重新設(shè)計(jì)了，只有小腿和腳沿用了上一版的設(shè)計(jì)，新的設(shè)計(jì)使得它變得更加強(qiáng)壯、快速、安靜，并且得益于其身后的電池大背包，它已經(jīng)脫離了電纜的束縛，我在我的文章《2015年，機(jī)器人界發(fā)生了哪些神奇瘋狂的故事？（上）》的第二點(diǎn)已經(jīng)有所介紹，寫文章的時(shí)候我就認(rèn)為波士頓動(dòng)力在谷歌的協(xié)助和資助下，Atlas一定會(huì)在未來的幾年以驚人的速度進(jìn)一步完善。沒想到僅僅一年的時(shí)間，Atlas就完成了它的再一次的升級(jí)，波士頓動(dòng)力公司的出活效率真是快的驚人。下面我們就來看看Atlas的進(jìn)化史。

Google那個(gè)Atlas機(jī)器人，是如何一步一步進(jìn)化到現(xiàn)在逆天的樣子？

（robot/via youtube.com）

截止目前，Atlas的的產(chǎn)品迭代大概經(jīng)歷了三個(gè)大的版本更新。第一階段，也就是Atlas的第一版階段，主要的任務(wù)便是如何能像小孩子一樣能夠穩(wěn)定的走路。

1、Atlas第一版

Atlas的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是由國防高等研究計(jì)劃署（DARPA）負(fù)責(zé)監(jiān)督與波士頓動(dòng)力公司合作。機(jī)器人的一只手由Sandia國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，而另一個(gè)是由iRobot公司開發(fā)。在2013年，DARPA的項(xiàng)目經(jīng)理吉爾普拉特（Gill Pratt）把Atlas機(jī)器人的原型版本和小孩子相比較，他說：“一個(gè)1歲的孩子幾乎不能走路，1歲的孩子摔倒了很多......這就是我們現(xiàn)在處于的狀態(tài)?！?/p>

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（第一版Atlas/via bostondynamics.com）

Atlas機(jī)器人是基于波士頓動(dòng)力公司早期的PETMAN人形機(jī)器人，它有四個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)的四肢。Atlas機(jī)器人由航空級(jí)鋁和鈦建造，身高約1.8米，重達(dá)150公斤，藍(lán)光LED照明。Atlas機(jī)器人配備了兩個(gè)視覺系統(tǒng)——一個(gè)激光測(cè)距儀和一個(gè)立體照相機(jī)，由一個(gè)機(jī)載電腦控制。它的手具有精細(xì)動(dòng)作技能的能力。它的四肢共擁有28度的自由度。

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（第一版Atlas過坑/via youtube.com）

稍微說明一下PETMAN人形機(jī)器人，PETMAN是一個(gè)設(shè)計(jì)用于檢測(cè)化學(xué)防護(hù)衣的人形機(jī)器人。為了模擬士兵如何在現(xiàn)實(shí)條件下對(duì)防護(hù)服的作用，PETMAN同樣也是可以自然敏捷地運(yùn)動(dòng)的。

不同于以往的化學(xué)防護(hù)衣測(cè)試機(jī)械有限的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)，PETMAN不僅能平衡自身和自由行走，彎曲身體，而且還能暴露在化學(xué)戰(zhàn)劑的操作車間里面中做各種對(duì)化學(xué)防護(hù)衣有壓力作用的健美體操。 PETMAN還通過模擬防護(hù)服內(nèi)人體生理學(xué)來控制溫度，濕度和出汗來模仿實(shí)際的測(cè)試條件。由于PETMAN是一個(gè)用于檢測(cè)化學(xué)防護(hù)衣的人形機(jī)器人，所以由PETMAN出發(fā)，波士頓動(dòng)力發(fā)展出了Atlas人形機(jī)器人，來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力的提升。相信大家看了PETMAN，第一印象一定會(huì)想到著名游戲反恐精英。

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（PETMAN via bostondynamics.com）

我們來說說第一版Atlas主要能完成的任務(wù)。第一版的主要特點(diǎn)是Atlas需要一根長長的線進(jìn)行供電，所以在第一版的各項(xiàng)試驗(yàn)中，你都會(huì)看到Atlas一直都拖著一根長長的尾巴。在第一版的試驗(yàn)中我們可以看到，Atlas已經(jīng)可以完成一部分需要很強(qiáng)平衡性的任務(wù)了。

首先，Atlas可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，走過鋪滿石塊的道路，并一直保持身體平衡不摔倒。其次，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，讓Atlas保持單腳站立，引入外部撞擊，我們可以通過視頻看出，在撞擊力不是很大的情況下，Atlas仍能保持單腳站立不摔倒。

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（Atlas被撞擊后保持平衡/via youtube.com）

然后就是在履帶上行走時(shí)，在一只腳的行進(jìn)路線上放置障礙物，當(dāng)Atlas踩到障礙物的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)在下一步更新步態(tài)，規(guī)劃下一步的落地點(diǎn)離開障礙物。最后就是在野外環(huán)境進(jìn)行行進(jìn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一片森林，我們可以看到，在野外環(huán)境Atlas也能保持較好的平衡性，只是畫風(fēng)有點(diǎn)恐怖而已。

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（Atlas戶外實(shí)驗(yàn)/via youtube.com）

其實(shí)第一版也有部分改進(jìn)，最初的Atlas手部很精細(xì)，模仿了人的手部設(shè)計(jì)，后來可能研究人員覺得它的主要任務(wù)不是在精細(xì)手部操作，所以就簡(jiǎn)化成了兩個(gè)圓柱體的手部。

為了更大的發(fā)揮Atlas的潛能與作用，波士頓動(dòng)力決定在DARPA挑戰(zhàn)賽上，選擇幾個(gè)參賽組，就利用Atlas參加比賽，完成挑戰(zhàn)任務(wù)，挑戰(zhàn)成功的隊(duì)伍可以獲得兩百萬美金的獎(jiǎng)勵(lì)。

第一次的比賽設(shè)在2014年的12月份，參賽的六支隊(duì)伍有NASA’s Jet Propulsion Laboratory、Johnson Space Center、 Virginia Tech、Drexel、Carnegie Mellon 和 SCHAFT。第二次的比賽在2015年6月。

不過雖然在前面的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，Atlas的表現(xiàn)十分令人滿意，但是到了賽場(chǎng)上卻是帥成狗，不對(duì)，是摔成狗。

我們先來看看DARPA挑戰(zhàn)賽要比賽些什么：

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（via theroboticschallenge.org）

首先機(jī)器人進(jìn)入場(chǎng)地之后要自己開車，然后從這里鉆出來；

然后開門，鉆過一個(gè)門；

然后擰開一個(gè)閥門；

然后要鉆過墻上的一個(gè)洞；

接下來會(huì)有一個(gè)神秘挑戰(zhàn)項(xiàng)目……

最后還要搬開一些廢墟，救人之類的項(xiàng)目；

最后的最后，走上樓梯，你就成功了！

一個(gè)項(xiàng)目完成得一分，最高分8分，最后靠分?jǐn)?shù)決定名次。

但是比賽中，Atlas的表現(xiàn)如下所示……

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（哎呀呀，風(fēng)好像有點(diǎn)大/ via theroboticschallenge.org）

2、Atlas第二版

2015年年年初，為了參加六月初的DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽，Atlas完成了自己的一次進(jìn)化。也就是Atlas成功進(jìn)化為第二版。此次變身，Atlas全身的百分之七十五都被重新設(shè)計(jì)了，只有小腿和腳沿用了上一版的設(shè)計(jì)，新的設(shè)計(jì)使得它變得更加強(qiáng)壯、快速、安靜，并且得益于其身后的電池大背包，它已經(jīng)脫離了電纜的束縛。

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（第二版Atlas/via youtube.com）

得益于全身升級(jí)后的各項(xiàng)組件，新改進(jìn)的Atlas比第一版本身材更加纖細(xì)，體型也更小，更加有效的機(jī)載液壓泵也使得Atlas機(jī)器人在移動(dòng)速度上更加迅猛。這樣改進(jìn)的目的也是使Atlas機(jī)器人更容易完成一些挑戰(zhàn)，例如要求它擠入專為人類設(shè)計(jì)的空間。所以這款A(yù)tlas的目的更多的想放入真正的災(zāi)難救援場(chǎng)景。它可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，而且它頭上的保護(hù)繩也可以去掉了。

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（Atlas/ via tech.huanqiu.com）

這版Atlas最顯著變化是電源和泵。Atlas第二版的供電系統(tǒng)是板載3.7千瓦時(shí)的鋰離子電池組，在完成包括行走，站立和使用工具等動(dòng)作的情況下可以持續(xù)一個(gè)小時(shí)。強(qiáng)大的液壓泵可以使得Atlas在摔倒時(shí)可以有能力自己爬起來。

除了以上兩個(gè)主要變化，其他的一些小變化如下：

由于采用的材料更加輕便，所以Atlas允許其他材料增加些重量，例如電池和與一個(gè)新的泵系統(tǒng)，這兩個(gè)增重體現(xiàn)在總重量上并沒有增加多少，升級(jí)后的機(jī)Atlas高1.88米，重156.5千克。
重新設(shè)定了位置的肩膀和手臂允許在機(jī)器人前面增加更多的工作空間，而且這樣的設(shè)置可以讓Atlas看到它自己手臂的運(yùn)動(dòng)，這樣就會(huì)有更多的傳感器數(shù)據(jù)反饋到上位機(jī)的操作員了。

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（重新設(shè)定了位置的肩膀和手臂允許在機(jī)器人前面增加更多的工作空間/via youtube.com）

新的電驅(qū)動(dòng)下手臂使得Atlas力量更大，更加敏捷，力量感更強(qiáng)。
Atlas在手腕出增加了額外的自由度，所以它只需要通過旋轉(zhuǎn)其手腕就能轉(zhuǎn)動(dòng)門把手，而不是像以前一樣需要轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)手臂。
三個(gè)板載感知計(jì)算機(jī)位于Atlas的頭部，用于感知環(huán)境和任務(wù)規(guī)劃，而且它的頭上還有一個(gè)無線路由器允許其與上位機(jī)進(jìn)行無線通信。

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（三個(gè)板載感知計(jì)算機(jī)位于Atlas的頭部，用于感知環(huán)境和任務(wù)規(guī)劃 /via youtube.com）

髖部，膝部和背部的尺寸都進(jìn)行了重新的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得Atlas有更大的力量。
為了安全操作，Atlas設(shè)置了無線緊急制動(dòng)功能。
新泵的另一個(gè)特點(diǎn)就是，Atlas以前安靜太多！想想大狗機(jī)器人就是因?yàn)樵胍籼蠖幻儡娤訔?，心還是塞塞的。

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（這版Atlas最顯著變化是電源和泵/via youtube.com）

這次和上次一樣，DARPA仍然為挑戰(zhàn)賽的贏家設(shè)置了豐厚的獎(jiǎng)品：第一名2,000,000刀，第二名1,000,000刀，第三名500,000刀。

3、Atlas第三版

經(jīng)歷了前兩版，波士頓動(dòng)力就在2016年2月23日在YouTube上公布了一段視頻，這就是我們看到的Atlas第三版，對(duì)于這一版，波士頓動(dòng)力僅僅在視頻下面寫下了這么一段話：

“A new version of Atlas, designed to operate outdoors and inside buildings. It is electrically powered and hydraulically actuated. It uses sensors in its body and legs to balance and LIDAR and stereo sensors in its head to avoid obstacles, assess the terrain and help with navigation. This version of Atlas is about 5’ 9” tall (about a head shorter than the DRC Atlas) and weighs 180 lbs.”

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（Atlas/via youtube.com）

除了視頻和這段話，波士頓動(dòng)力并沒有公布太多的技術(shù)細(xì)節(jié)和文檔，IEEE Spectrum的記者也在電話聯(lián)系他們想爭(zhēng)取到更多的信息。所以我們只能從目前已知的一些資料得出一些信息。

新版的Atlas可以在室內(nèi)和室外進(jìn)行實(shí)際操作。和第二版的動(dòng)力一樣，Atlas采用電源供電和液壓驅(qū)動(dòng)。這也說明，要想有大動(dòng)力，能源方面目前還只能妥協(xié)于液壓，盡管噪聲還是個(gè)不小的問題。
Atlas身體內(nèi)部以及腿部的傳感器通過采集位姿數(shù)據(jù)使其保持身體平衡，它頭上的激光雷達(dá)定位器和立體攝像機(jī)可以使Atlas規(guī)避障礙物、探測(cè)地面狀況以及完成巡航任務(wù)。

（Atlas/ via youtube.com）

這版的Atlas高1.75米，重82千克，均比上一版的高1.88米，重156千克在輕便上有所提升。
在視頻中我們可以看到，Atlas在完成搬箱子的過程中，頭上的激光雷達(dá)定位器旋轉(zhuǎn)飛快，但是在戶外行走的時(shí)候，激光雷達(dá)定位器卻一點(diǎn)都不動(dòng)，所以極有可能戶外行走并不是自主行為，而是人為操控，所以Atlas的自主性有待考證。
在搬箱子、出門推門等過程中我們都看到了黑白格點(diǎn)的紙質(zhì)標(biāo)記，所以Atlas目前還需要標(biāo)記點(diǎn)完成物體識(shí)別任務(wù)，對(duì)物體的識(shí)別等機(jī)器視覺能力有待提升。

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（Atlas/via youtube.com）

這一版最震撼的還是Atlas摔倒了可以自主爬起來的功能，這個(gè)功能相對(duì)于其他機(jī)器人來講，性能已經(jīng)十分優(yōu)秀了，而且起身的效率也十分高。不過僅僅視頻中的摔倒起身還不足以說明Atlas的魯棒性，因?yàn)橐曨l僅僅展示了“狗吃屎”式的摔倒，其他姿勢(shì)的摔倒起身功能仍有待考證。

雖然更多詳細(xì)的資料我們還沒有看到，但是從視頻里面我們已經(jīng)可以體會(huì)到，這一版的Atlas的功能與性能已經(jīng)有了很大的飛躍。

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