【新智元導(dǎo)讀】最近，加州大學(xué)伯克利分校和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，展示了ATRIAS足式機(jī)器人能夠在隨機(jī)變換的障礙地形中行走的過(guò)程：盡管踏腳石高度和之間的寬度隨機(jī)變化，但ATRIAS可以像人類一樣行走，完美跨越。

與人類及大多數(shù)陸地動(dòng)物一樣，腿（足）式機(jī)器人需要能夠在崎嶇的地形上移動(dòng)，以便在災(zāi)難響應(yīng)、搜索和救援等應(yīng)用中發(fā)揮作用。

然而，設(shè)計(jì)能夠處理離散立足點(diǎn)（像碎石或踏腳石）的控制算法是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)檫@對(duì)腳的放置有嚴(yán)格的約束，并且這些系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是由復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)方程控制的。

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)室通過(guò)利用最佳和非線性控制系統(tǒng)的新進(jìn)展，展示了ATRIAS機(jī)器人在踏腳石上行走的動(dòng)態(tài)過(guò)程，即使這些踏腳石和它們的高度之間的距離是隨機(jī)變化的，ATRIAS機(jī)器人可以像人類一樣行走，完美跨越。

“一步一個(gè)腳印”：雙足機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)了在步長(zhǎng)和步高同時(shí)變化中行走

加州大學(xué)伯克利分校的Hybrid Robotics Group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，而且還能對(duì)不確定性和外部力量進(jìn)行建模。這些方法獨(dú)立于特定的機(jī)器人本身，并已經(jīng)在各種機(jī)器人的模型上，包括RabbIT、ATRIAS和DURUS，進(jìn)行了（模擬）測(cè)試。

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

團(tuán)隊(duì)通過(guò)ATRIAS雙足機(jī)器人平臺(tái)上對(duì)控制算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，它能夠在隨機(jī)變化的離散地形上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行，步長(zhǎng)在30到65厘米之間變化，步高需要向上/向下22厘米，同時(shí)保持0.6米/秒的平均步行速度。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這是第一次演示了雙足機(jī)器人在步長(zhǎng)和步高同時(shí)變化時(shí)成功動(dòng)態(tài)行走。

為什么離散行走在機(jī)器人中如此困難？

首先，雙足機(jī)器人是高度自由的系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)由復(fù)雜的非線性微分方程控制，這些方程捕獲了地面相互作用的混合動(dòng)力：機(jī)器人必須通過(guò)不斷地與周圍環(huán)境進(jìn)行接觸來(lái)與環(huán)境互動(dòng)。

此外，團(tuán)隊(duì)使用的機(jī)器人，比如ATRIAS，是欠驅(qū)動(dòng)的（underactuated），這意味著機(jī)器人的腳踝沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器，只有定點(diǎn)腳。這相當(dāng)于踩著墊腳石或者踩著高蹺爬著樓梯，保持平衡的唯一方法就是一直走下去。

踏腳石也嚴(yán)格限制了腳的放置，而現(xiàn)實(shí)世界中這些墊腳石也可能會(huì)倒塌。此外，機(jī)器人必須在其他物理限制范圍內(nèi)工作，如電機(jī)扭矩限制和摩擦力（機(jī)器人不能滑動(dòng)）。所有這些限制相互作用，使得控制設(shè)計(jì)過(guò)程變得非常重要。

踏腳石問(wèn)題（stepping-stones problem）已經(jīng)得到廣泛研究，在Valkyrie和ATLAS等機(jī)器人上取得了令人印象深刻的成果。

該團(tuán)隊(duì)研究的不同之處在于，他們?cè)试S動(dòng)態(tài)行走而不是機(jī)器人傾向于使用的較慢的準(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，并利用最優(yōu)和非線性控制技術(shù)的最新進(jìn)展，可以以簡(jiǎn)單緊湊的形式指定控制目標(biāo)和期望的機(jī)器人行為，同時(shí)提供正式的穩(wěn)定性和安全性保證。這意味著，機(jī)器人可以在離散的地形上行走，而不會(huì)滑倒或摔倒。

以下是視頻：

未來(lái)：有望研發(fā)完全自主系統(tǒng)

團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人目前是“盲人”，需要提供關(guān)于它周圍環(huán)境的信息，比如下一個(gè)踏腳石的位置。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正致力于集成計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法，包括深度分割（depth segmentation）和控制器的深度學(xué)習(xí)。這將允許機(jī)器人對(duì)周圍環(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)新機(jī)器人Cassie的即將抵達(dá)伯克利，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將實(shí)驗(yàn)結(jié)果擴(kuò)展到在真實(shí)世界的踏腳石上進(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（如樹(shù)林小路）中自主導(dǎo)航。研究的關(guān)鍵部分包括安全性、魯棒性和敏捷性，即希望機(jī)器人能夠在“正確”的位置上行走，以防止它們墜落，同時(shí)對(duì)意想不到的力量和干擾保持強(qiáng)大的魯棒性。

這種技術(shù)潛在的應(yīng)用有很多：在搜索和救援中，可以部署自動(dòng)人形機(jī)器人而不是人類救援人員；幫助探索其他行星上的未知區(qū)域，或在家中作為個(gè)人機(jī)器人。此外，兩足機(jī)器人開(kāi)發(fā)的方法也可以轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)人類的機(jī)器人設(shè)備，比如下肢外骨骼。

新智元編譯

來(lái)源：IEEE spectrum

編輯：克雷格