伯克利和CMU聯(lián)合開(kāi)發(fā)能像人類(lèi)一樣行走的腿形機(jī)器人ATRIAS

還記得波士頓動(dòng)力那些靈活的機(jī)器人么，避障礙爬樓梯甚至送快遞，在各種地形隨意穿梭。

現(xiàn)在，加州大學(xué)伯克利分校和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出了一款更靈活的腿形機(jī)器人ATRIAS，它們可以像人類(lèi)一樣可以在崎嶇的地形上行走，跨越障礙物，并且，不會(huì)受障礙物高度和相隔距離的影響。

也就是說(shuō)，即使地面環(huán)境是隨機(jī)變化的，這種足式機(jī)器人也能順暢地行走。

這就非常厲害了！

對(duì)足形機(jī)器人，特別是目前還是“盲人”的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，在地面上如何“下腳”是有嚴(yán)格的算法控制的。而這些算法對(duì)凹凸不平的地面環(huán)境的適應(yīng)性不是很友好。

那么設(shè)計(jì)這款機(jī)器人最大的挑戰(zhàn)是，如何優(yōu)化離散立足點(diǎn)的控制算法。

如此靈活的機(jī)器人，其背后由復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)方程控制。具體來(lái)講是利用了最新的非線性控制算法。

而加州大學(xué)伯克利分校和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)做出的最新進(jìn)展很好的解決這種矛盾，讓足式機(jī)器人能夠在隨機(jī)變換的障礙地形中，順暢的行走。

為什么是足式機(jī)器人?

從波士頓動(dòng)力的網(wǎng)紅機(jī)器人Atlas，到伯克利的ATRIAS，足式機(jī)器人無(wú)疑近期機(jī)器人行列中的“C位”。這一地位的獲取是有原因的。

根據(jù)行走方式，機(jī)器人可分為輪式、足式、履帶式及混合式。輪式機(jī)器人主要適合平坦的路面，具有高速移動(dòng)性能，但對(duì)復(fù)雜的地形卻無(wú)能為力；履帶式機(jī)器人能更好的適應(yīng)松軟的地形，如土地，缺點(diǎn)是對(duì)高度落差較大的地形無(wú)能為力；足式機(jī)器人幾乎可以適應(yīng)各種復(fù)雜的地形，缺點(diǎn)是移動(dòng)速度較低，且由于重心原因容易側(cè)翻。

世界上大部分地形屬于復(fù)雜地形，對(duì)于復(fù)雜的地形足式機(jī)器人有著明顯的優(yōu)勢(shì)，所以足式機(jī)器人的研究有著廣闊的發(fā)展前景。

足式機(jī)器人最值得探索的地方也正在于此——能夠在非結(jié)構(gòu)化和不平整的地形上航行。

圖：ATRIAS雙足機(jī)器人用不同的步長(zhǎng)和步高在隨機(jī)離散地形上行走

它們比輪式機(jī)器人靈活得多，輪式機(jī)器人很難在有空隙或高度有重大變化的地形上導(dǎo)航，而雙足機(jī)器人能夠穿越離散和不可預(yù)測(cè)的地形，這使它們成為了空間探索、災(zāi)難響應(yīng)以及城市環(huán)境中個(gè)人機(jī)器人的理想候選者，這些機(jī)器人需要在為人類(lèi)設(shè)計(jì)的離散地形上行走，比如樓梯或跳板。

為了促進(jìn)機(jī)器運(yùn)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，也有不少獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立，比如W獎(jiǎng)。此獎(jiǎng)項(xiàng)是對(duì)機(jī)器運(yùn)動(dòng)中最先進(jìn)技術(shù)的挑戰(zhàn)，例如對(duì)臺(tái)階和樓梯的攀爬、在不超過(guò)10,000秒的時(shí)間內(nèi)行駛10公里等等。

雖然這些年來(lái),足式機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)和控制策略有了顯著的改善，但是仍然沒(méi)有在現(xiàn)實(shí)世界中真正使用。目前最先進(jìn)的機(jī)器人依然在準(zhǔn)靜態(tài)地面運(yùn)動(dòng)速度緩慢，而且抗干擾能力弱，對(duì)能源的利用也是效率低下。

對(duì)于下肢外骨骼來(lái)說(shuō)，跨越離散地帶也是一個(gè)難題，目前的解決方法是，用戶(hù)添加額外的平衡機(jī)制，比如說(shuō)拐杖，但是即便這樣也不能實(shí)現(xiàn)完全的自主行走。這一點(diǎn)也在最近的Cybathlon外骨骼競(jìng)賽中得到了體現(xiàn)。

通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)器人和反饋算法，使得機(jī)器人能夠以一種安全、可靠的方式在復(fù)雜的地形上實(shí)現(xiàn)精確的足跡設(shè)計(jì)，我們能夠?qū)⑦@種新的機(jī)器人應(yīng)用到實(shí)際生活中，并且將這些想法轉(zhuǎn)化成增強(qiáng)人類(lèi)能力的生物電子設(shè)備。

為什么在跳板上的動(dòng)態(tài)行走這么難？

伯克利大學(xué)的混合機(jī)器人小組一直致力于為高自由度雙足機(jī)器人開(kāi)發(fā)正式的控制框架，這種框架不僅能保證在離散地形上精確的步進(jìn)位置，還能對(duì)不確定性和外力建模保持魯棒性。這些方法獨(dú)立于特定的機(jī)器人本身，并在RABBIT、ATRIAS和DURUS等多種機(jī)器人模型上進(jìn)行了仿真測(cè)試。

此外，這些機(jī)器人提前并不能“知道”地形會(huì)是什么樣子;只有下一步的位置會(huì)顯示給機(jī)器人，這個(gè)場(chǎng)景很好地描述機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中可能遇到的情況。

伯克利研究組在ATRIAS雙足機(jī)器人平臺(tái)上測(cè)試了控制算法,并能夠?qū)崿F(xiàn)在不同離散隨機(jī)地形上的動(dòng)態(tài)行走，步長(zhǎng)在30至65厘米不等，步行高度（抬腿）為22厘米,同時(shí)保持平均步行速度為0.6米/秒。

可以說(shuō)，伯克利的ATRIAS是雙足機(jī)器人上首次，在步長(zhǎng)和步高同時(shí)變化的跳板上，完成了動(dòng)態(tài)行走。

為什么離散行走在機(jī)器人中如此困難?

首先，兩足機(jī)器人是高自由度系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)由復(fù)雜的非線性微分方程控制，這些方程描述了機(jī)器人與地面相互作用中的混合動(dòng)力：機(jī)器人必須通過(guò)不斷地與周?chē)h(huán)境進(jìn)行接觸和打破接觸來(lái)與環(huán)境互動(dòng)。

此外，ATRIAS是欠驅(qū)動(dòng)的，這意味著它在腳踝處沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器。你可以想象一下踩著跳板或者踩著高蹺爬樓梯：保持平衡的唯一方法就是一直走下去。

跳板的問(wèn)題也對(duì)腳的放置有嚴(yán)格的限制，當(dāng)然在現(xiàn)實(shí)世界中，這些跳板也可能會(huì)倒塌(在不久的將來(lái)我們將會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題)。此外，機(jī)器人還必須在其他物理約束下工作，如電機(jī)轉(zhuǎn)矩限制和摩擦(機(jī)器人不能滑倒)。所有這些約束相互作用，使得控制設(shè)計(jì)過(guò)程變得非常重要。

跳板問(wèn)題已經(jīng)得到了廣泛的研究，在像Valkyrie和ATRIAS這樣的機(jī)器人身上取得了令人印象深刻的成果。但是不同的地方是，伯克利的方法允許動(dòng)態(tài)行走，而不是機(jī)器人傾向于使用的緩慢的準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的非線性進(jìn)行推理，并利用最近最優(yōu)控制和非線性控制技術(shù)的進(jìn)展，伯克利小組可以在提供形式的穩(wěn)定性和安全性保證的同時(shí)，以簡(jiǎn)單緊湊的形式指定控制目標(biāo)和期望的機(jī)器人行為。這意味著，這種機(jī)器人可以在離散的地形上行走，而不會(huì)滑倒或摔倒。

下一步的研究

目前，ATRIAS還是“盲人”，需要向他們提供關(guān)于它周?chē)h(huán)境的信息，比如下一個(gè)跳板的位置。伯克利研究組稱(chēng)，他們現(xiàn)在正致力于在控制器中集成計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法，比如深度分割和深度學(xué)習(xí)。

這將允許機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行推理，從而開(kāi)發(fā)出一個(gè)完全自主的系統(tǒng)。隨著一個(gè)名叫Cassie的新機(jī)器人抵達(dá)伯克利，其計(jì)劃將實(shí)驗(yàn)結(jié)果擴(kuò)展到在真實(shí)世界的跳板上進(jìn)行3D行走。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)研究將有助于雙足機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境（如樓梯和狹窄的走廊）以及室外環(huán)境（如叢林小徑）中自主導(dǎo)航。研究的關(guān)鍵部分包括安全性、魯棒性和靈活性，也就是說(shuō)，我們希望我們的機(jī)器人能夠在“正確”的位置上行走，以防止它們跌倒，同時(shí)對(duì)意想不到的外力和干擾保持魯棒性。

這種技術(shù)的潛在應(yīng)用有很多：在搜索和救援中，可以部署自動(dòng)人形機(jī)器人而不是人類(lèi)救援人員;在探索未繪制地圖/未探索的區(qū)域時(shí)（比如在表面高度不均勻的其他行星上），或者在家中作為個(gè)人機(jī)器人。此外，為兩足機(jī)器人開(kāi)發(fā)的方法也可以轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)人類(lèi)的機(jī)器人設(shè)備，比如下肢外骨骼。