2
| 本文作者： 栗向?yàn)I | 2016-06-12 20:59 |
今年8月，雷鋒網(wǎng)將在深圳舉辦一場盛況空前有全球影響力的人工智能與機(jī)器人創(chuàng)新大會。屆時(shí)雷鋒網(wǎng)(搜索“雷鋒網(wǎng)”公眾號關(guān)注)將發(fā)布“人工智能&機(jī)器人Top25創(chuàng)新企業(yè)榜”榜單。目前，我們正在拜訪人工智能、機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)公司，從中篩選最終入選榜單的公司名單。如果你也想加入我們的榜單之中，請聯(lián)系：2020@leiphone.com。
雷鋒網(wǎng)按：本文作者栗向?yàn)I，中科院自動化所復(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3月18日彭博商業(yè)周刊爆出了一條新聞，谷歌母公司Alphabet計(jì)劃放棄機(jī)器人計(jì)劃，并出售收購不到3年的有足機(jī)器人制造商Boston Dynamics。
就在一個月之前2月23日，波士頓動力公司在YouTube上發(fā)布了一段關(guān)于公司新成果的一段視頻，這段視頻現(xiàn)在已經(jīng)擁有了上億次的點(diǎn)擊量，在世界各地都引起了很大的關(guān)注度。
5月28日，Tech Insider報(bào)道稱豐田對波士頓動力的收購“已進(jìn)入尾聲”，并且有波士頓動力員工稱這是一次“友好的收購”。雖然對于波士頓動力的出售與收購原因都眾說紛紜，但是在這些原因里面均透露出了一絲絲對多足機(jī)器人無奈的意味，而這絲無奈正如我在文章《Google為何要放棄逆天的Atlas機(jī)器人？波士頓動力與谷歌背后的故事》中最后提到的——
“多足機(jī)器人的困境也許才剛剛開始”。
（波士頓動力多足機(jī)器人展示 ）
所以這篇文章，我將闡述一下為什么多足機(jī)器人的路越走越難。
機(jī)器人是個構(gòu)成十分復(fù)雜的智能體，他的組成部分包括動力模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感部分、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、環(huán)境互動與導(dǎo)航、人機(jī)交互等很多方面。而我們今天講的多足機(jī)器人，主要的研究環(huán)節(jié)就是他的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，所以首先我們先來看看機(jī)器人到底有哪些運(yùn)動方式。
機(jī)器人的運(yùn)動方式可以分為輪式、足式、蛇形、爬行、飛行、游動等，陸上的運(yùn)動方式為輪式、足式、蛇形、爬行，其中以輪式與足式為主，空中與水中的運(yùn)動方式分別為飛行與游動。
我們先來說說輪式運(yùn)動有哪幾種類型。先列舉一下：四輪、兩輪平衡、獨(dú)輪平衡、球面輪、六輪和履帶。
（NASA的雙輪平衡機(jī)器人Robonaut ）
對于大多數(shù)的移動機(jī)器人來說，運(yùn)動方式基本上均采用輪式，其中以四輪和履帶最為常見，因?yàn)檫@兩種方式既簡約又穩(wěn)定性高。除此之外還有兩輪平衡機(jī)器人，兩輪平衡機(jī)器人通常使用陀螺儀來檢測機(jī)器人偏倒了多少，然后驅(qū)動輪子在相同的方向同等比例的運(yùn)動，這種對偏倒的補(bǔ)償運(yùn)動每秒鐘會運(yùn)行幾百次，原理同倒立擺的動態(tài)平衡。我們?nèi)粘Ｔ诖蠼稚峡吹降膬奢嗠妱榆囯m然不是機(jī)器人，但是其平衡原理與兩輪機(jī)器人類似。
（卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Ralph Hollis教授開發(fā)的獨(dú)輪機(jī)器人Ballbot ）
獨(dú)輪平衡機(jī)器人是兩輪平衡機(jī)器人的拓展形式，它可以將一個球狀輪作為獨(dú)輪在二維平面的任意方形運(yùn)動。采用獨(dú)輪平衡的機(jī)器人有美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University) Ralph Hollis教授開發(fā)的Ballbot機(jī)器人以及日本的東北學(xué)院大學(xué)(Tohoku Gakuin University) Masaaki Kumagai教授開發(fā)的BallIP機(jī)器人。由于只有一個輪子，所以高度要高一些，但是占地面積要小很多，所以相比于其他機(jī)器人來說更適合在狹窄的空間里運(yùn)動。
（日本的東北學(xué)院大學(xué)Masaaki Kumagai教授開發(fā)的獨(dú)輪機(jī)器人BallIP ）
球面輪機(jī)器人是將機(jī)器人的本體裝在球面里面，或者旋轉(zhuǎn)球面內(nèi)的配重塊，或者轉(zhuǎn)動球面外殼來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。
（球狀輪造型 via：wikipedia.org）
六輪機(jī)器人相比四輪驅(qū)動，會提供更大的牽引力，更適合在戶外運(yùn)動，例如巖石和草叢環(huán)境。
履帶機(jī)器人相比六輪機(jī)器人會提供更大的牽引力，履帶的結(jié)構(gòu)會使得機(jī)器人運(yùn)動起來如同加上了更多的小輪子，對于戶外和軍用機(jī)器人尤為常見，特別適合崎嶇的地形。但是缺點(diǎn)是對于室內(nèi)光滑地板環(huán)境比較難以使用。履帶機(jī)器人比較典型的例子是NASA的城市機(jī)器人Urbie。
（履帶機(jī)器人 via：tiaozhanbei.net）
大致介紹完輪式機(jī)器人，就要介紹我們這篇文章的主角——足式機(jī)器人。
通過對以上輪式機(jī)器人的介紹我們可以發(fā)現(xiàn)，輪式機(jī)器人十分好操控，只要對兩到六個輪子加上電機(jī)驅(qū)動，既可以使得機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動，而且隨著輪子數(shù)目的增加，牽引力也會增加，而且也比較適應(yīng)崎嶇以及不平坦的路面環(huán)境。
但是對于足式運(yùn)動的機(jī)器人，情況就復(fù)雜得多了。
一般的仿人機(jī)器人會采用雙足式，但是這些機(jī)器人行走的可靠性沒有一個強(qiáng)于人類。對于雙足機(jī)器人平衡控制的問題也一直是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但是遺憾的是，沒有一種控制方法是和人的平衡方法一樣的。
在這里我們就會發(fā)現(xiàn)一個有趣的事情，仿人機(jī)器人的研究，我們主要是仿照人類并且企圖通過模仿人類的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人優(yōu)良的運(yùn)動特性，但是我們只是建造了一個和人的外形有些相似的機(jī)器人，控制方法卻和人類的一點(diǎn)都不一樣。
而且更遺憾的是，我們既沒有研究明白人類是怎么達(dá)到如此優(yōu)良的雙足平衡特性，我們使用的方法也沒有超過人類這種優(yōu)良的平衡特性，甚是我們現(xiàn)在的雙足機(jī)器人基本上都不能在崎嶇不平的路上行走，雖然我們看到Atlas在不平坦路面上行走的視頻，但是這段視頻也許真的只是走得非常好的一次了。這個本身就是雙足機(jī)器人研究十分尷尬的境地。既然雙足的魯棒性這么不好，我們可以采用四足或者多足以實(shí)現(xiàn)更好的平衡，而且也免去了不少需要實(shí)現(xiàn)平衡而使用的控制算法。
（Atlas在DARPA挑戰(zhàn)賽上 via：theroboticschallenge.org）
雖然多足免去了不少平衡上的問題，而且多足適應(yīng)崎嶇的地形，可跨越障礙，并且具有較強(qiáng)的機(jī)動性，這些都是足式運(yùn)動的優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)對于非足式運(yùn)動，似乎也可以通過改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)；而且對于雙足以及多足，足式運(yùn)動本身也會存在不少的問題。
我們先來看看現(xiàn)在的足式機(jī)器人都采用哪些平衡控制方法。
足式機(jī)器人的平衡控制方法
1、零力矩點(diǎn)運(yùn)動規(guī)劃方法
（零力矩點(diǎn)運(yùn)動規(guī)劃方法原理圖 cilab.csie.ncu.edu.tw）
零力矩點(diǎn)運(yùn)動規(guī)劃方法：沿足底分布的負(fù)載具有相同的符號（方向），它們等效于一個合力R，其作用點(diǎn)在足底的范圍內(nèi)。合力R所通過的在足底上的這個作用點(diǎn)，稱為零力矩點(diǎn)（zero moment point），簡稱ZMP。
Vukobratovic于1968年提出ZMP這個概念，到了80年代早稻田的加藤一郎實(shí)驗(yàn)室(Ichiro Kato's laboratory at Waseda University)制作了一系列的WL機(jī)器人，這些雙足機(jī)器人是最早將此概念實(shí)際應(yīng)用到動態(tài)平衡的雙足步行。
有名的例子，像是Honda的Asimo就是利用ZMP的相關(guān)理論來達(dá)到雙足機(jī)器人的步行和平衡。那ZMP有什么用呢？如果ZMP落在腳掌的范圍里面，則機(jī)器人可以穩(wěn)定地行走。
（Asimo機(jī)器人 tech.sina.com.cn）
但是，這種方法并不是我們?nèi)祟惖男凶咴?，而且我們看這樣的機(jī)器人走路也感到很是別扭，有些人開玩笑說，Asimo走路的時(shí)候就像內(nèi)急要去廁所。而且這樣的平衡方法，也只能應(yīng)用到平坦路面上的行走。
2、跳躍平衡
（三維獨(dú)腿跳躍機(jī)器人 via：www.ai.mit.edu）
跳躍平衡：最早是來自MIT Leg Laboratory的Marc Raibert于上世紀(jì)八十年成功實(shí)現(xiàn)的，看過我寫的《Google為何要放棄逆天的Atlas機(jī)器人？波士頓動力與谷歌背后的故事》文章的人，一定對Marc Raibert這個人不陌生，沒錯，他就是波士頓動力的創(chuàng)始人，并且現(xiàn)在仍是波士頓動力現(xiàn)任總裁兼項(xiàng)目經(jīng)理。他最初設(shè)計(jì)的跳躍平衡機(jī)器人只有一條腿，可以通過一直蹦蹦跳跳實(shí)現(xiàn)豎直不倒，那個感覺就像我們小時(shí)候玩的彈簧單高蹺。當(dāng)機(jī)器人向一側(cè)倒的時(shí)候，機(jī)器人的腿就向倒的那側(cè)著步，接住自己。后來，單足又發(fā)展為兩足和四足，也開始能完成一些較復(fù)雜的運(yùn)動，例如小跑、大步跑、翻跟頭什么的。
3、動態(tài)平衡算法
動態(tài)平衡算法相比零力矩點(diǎn)方法更加魯棒一些，它的思路就是時(shí)刻檢測機(jī)器人的運(yùn)動，然后判斷機(jī)器人的腳應(yīng)該放到哪里。人們可能奇怪這種方法和跳躍平衡有什么區(qū)別，其中的區(qū)別主要是跳躍平衡是一種動平衡，就像沒有支架的自行車，必須騎起來才能平衡，但是動態(tài)平衡算法可以使得機(jī)器人穩(wěn)定地站在那里。
（Anybots公司的雙足機(jī)器人Dexter?？梢蕴S離開地面11英寸 via：youtube.com）
4、被動動力行走
被動動力行走是指機(jī)器人可以完全不用驅(qū)動，也完全不用控制僅依靠勢能作為能量輸入就可以實(shí)現(xiàn)沿斜坡向下地穩(wěn)定行走。
（被動動力行走原理示意圖 via：www.robotway.com）
因?yàn)槿祟愒谛凶哌^程中擺動腿的驅(qū)動能量并非完全來源于肌肉做功，而是有一部分來源于重力做功，這與單擺的運(yùn)動非常相似。對人類行走時(shí)腿部肌電信號的實(shí)驗(yàn)研究表明，人類行走時(shí)大部分時(shí)間腿部肌肉的活動強(qiáng)度是很小的，這說明自身重力及慣性是決定其運(yùn)動特性的重要參數(shù)，而被動動力行走完全依賴于自身重力及慣性，這為被動行走提供了仿生學(xué)依據(jù)。但是這種控制存在很大的局限性，因?yàn)闄C(jī)器人需要利用重力進(jìn)行被動運(yùn)動，那么它的運(yùn)動方式就會受到很大的限制，那過程就像一個餓得一點(diǎn)力氣的人沿著下坡路被重力帶著走。
所以介紹完以上目前足式機(jī)器人用的平衡以及運(yùn)動控制算法來說，并沒有一個很好的解決辦法，它們的行走方式并沒有達(dá)到我們預(yù)期所期待的優(yōu)越的魯棒效果，而且對于足式固有的越障等能力，越來越多的其他運(yùn)動方式也逐漸可以完成，所以這種優(yōu)越性也開始漸漸地消失。
除此之外，足式運(yùn)動還有很多設(shè)計(jì)難度和功耗等的問題。
足式運(yùn)動存在的問題：設(shè)計(jì)難度和功耗大等
（一種機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 via：csstoday.net）
在組成四足行走機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中，腿部機(jī)構(gòu)是最重要的機(jī)構(gòu)。如果腿部機(jī)構(gòu)選擇得當(dāng)，不僅可以使機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便，還可以簡化控制方案。但是目前的足式機(jī)器人大多采用基于零力矩點(diǎn)的軌跡規(guī)劃方法。機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)都需要進(jìn)行驅(qū)動和控制，使得該類機(jī)器人體積和質(zhì)量大，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜，效率很低，不適于長時(shí)間和長距離的野外作業(yè)。而且人類的關(guān)節(jié)是一個很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，目前僅僅依靠電機(jī)去模擬，得到的效果自然十分尷尬。
（人體膝關(guān)節(jié)示意圖 via：zzxu.cn）
而且在過去的幾十年里，足式機(jī)器人雖然得到了很大的發(fā)展，但是，能量消耗大這個問題一直困擾著設(shè)計(jì)者。
據(jù)估計(jì)，日本本田公司的阿西莫機(jī)器人單位重量移動單位距離所消耗的能量是人類的10倍以上。因?yàn)樗拿總€腿關(guān)節(jié)都由電機(jī)驅(qū)動，計(jì)算機(jī)控制行走過程中各關(guān)節(jié)每一時(shí)刻的角度和角速度等參數(shù)。采用這種方式已經(jīng)研制出了能夠成功行走的機(jī)器人，不過它們需要復(fù)雜、快速、精確的驅(qū)動和控制，因此能量消耗率遠(yuǎn)高于人類。
限制傳統(tǒng)行走機(jī)器人實(shí)用化的一個重要因素是其過高的能耗。傳統(tǒng)的機(jī)器人需要大量的馬達(dá)對關(guān)節(jié)驅(qū)動，要消耗大量的能量，且馬達(dá)在一個行走周期中會做部分負(fù)功，使能耗進(jìn)一步增加。所以我們都會看到不管是Asimo還是Atlas，都會背著一個大大的電池書包，大狗用的則是柴油，所以噪音自然不小。
（Atlas機(jī)器人后背的電池背包 via：youtube.com）
于是人們說，我們可以采取被動動力運(yùn)動方式啊。確實(shí)，上世紀(jì)90年代開始發(fā)展起來的被動行走機(jī)器人是一種比較簡單的機(jī)械裝置，由固體桿件通過關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)組成，能夠在一個向下的傾斜面上僅依靠重力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。它們沒有電機(jī)和控制器，僅依靠重力勢能補(bǔ)償行走過程中由碰撞和摩擦產(chǎn)生的能量損耗，由自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分布等來實(shí)現(xiàn)周期性行走。其單位重量移動單位距離所消耗的能量值與人類行走時(shí)的數(shù)值大小相當(dāng)，這讓它們的行走效率超過以往任何行走機(jī)械。但是，光看著這些描述我們就會擔(dān)憂，這個只有依靠斜坡才能運(yùn)動的機(jī)器人我們還能讓它干些什么。
上面主要從技術(shù)的角度上來講的，我們再來看看從情感上。
“恐怖谷理論”：你會想要一個仿人機(jī)器人嗎？
（影視作品中的機(jī)器人管家形象）
假如你們家的管家是一個機(jī)器人，我想你期待的是一個什么樣的機(jī)器人呢。假如你說你偏好雙足的，那多半你期待的是一個仿人機(jī)器人，可是我以前在文章《2015年，機(jī)器人界發(fā)生了哪些神奇瘋狂的故事？（下）》中介紹Geminoid F機(jī)器人的時(shí)候介紹過“恐怖谷理論”，如果Geminoid F這樣美麗的機(jī)器人你看著都怕，你怎么讓她當(dāng)你的管家或者玩伴。再說，假如她哪個零件壞掉了，恐怕你連抱都抱不動這個金屬家伙吧。
那既然家用不行，我們可以軍用。別忘了，美軍已經(jīng)因?yàn)榇蠊诽骋呀?jīng)不用它了，而且這么費(fèi)油，還不如開輛車運(yùn)送的東西多呢。
由此看來，多足機(jī)器人也許只是人類想要模仿或者還原人類以及自然界動物的一種最初的想法，從現(xiàn)在各種窘境以及以多足機(jī)器人為主要業(yè)務(wù)的波士頓動力的此次易主我們可以看出并體會到，多足機(jī)器人的路真的是越走越難了。
雷鋒網(wǎng)注：本文為雷鋒網(wǎng)獨(dú)家約稿，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系授權(quán)并保留完整信息，不得修改文章。
雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。
