2019年7月8日，為期7天的RoboCup2019（機器人世界杯）比賽在澳大利亞悉尼正式落下帷幕。在比賽中，來自中國的火神隊從全球40多個國家，170多所科研機構和高校團隊中脫穎而出，斬獲人形組三項大獎：AdultSize的Technical Challenge技術挑戰(zhàn)賽亞軍、Drop-in比賽亞軍，以及2VS2足球比賽季軍。
可以說，火神隊代表著中國人形機器人研究的最頂尖的水平。這一團隊集結了目前中國人形機器人前沿技術研究中兩支重要力量——代表高校的清華大學和代表企業(yè)的優(yōu)必選科技。
智東西了解到這支團隊的領導者正是在仿人機器人步態(tài)控制及無人駕駛自行車領域享譽盛名的趙明國教授，他不僅是清華大學自動化系副研究員、機器人控制實驗室主任，同時擔任優(yōu)必選科技人形機器人首席科學家，和優(yōu)必選科技人形機器人團隊一起攻克人形機器人研究中的一個又一個難題。
上周，智東西受邀來到了優(yōu)必選科技北京研究所，在這里我們與趙明國教授以及優(yōu)必選科技北京研究所核心團隊成員進行了深度交流。優(yōu)必選北京研究所正是參加此次RoboCup比賽的核心團隊，負責機器人在感知、定位、決策、運動、步態(tài)等方面研究?，F(xiàn)在就讓我們一起來揭開優(yōu)必選科技捧回RoboCup獎杯背后的秘密吧。
▲優(yōu)必選人形機器人首席科學家 趙明國教授
一、嚴苛的Robocup挑戰(zhàn)賽，優(yōu)必選科技的取勝法寶
人形機器人一直是機器人研究中最前沿的領域。
最早期的機器人誕生于上世紀60年代，隨后人類對機器人的探索就不斷在升級。為了檢驗人工智能和機器人的性能，學者們不斷設定新的技術檢驗標準。90年代之前，與人類進行國際象棋博弈一直作為人工智能系統(tǒng)研究的桂冠。
自1997年IBM的人工智能系統(tǒng)深藍首次在國際象棋比賽中戰(zhàn)勝人類后，學者們一直在思考，該設定哪一指標來引領人工智能和機器人下一階段的研究方向呢？經歷了幾十位專家的激烈討論，最終，足球比賽成為專家們認可的方向。于是，RoboCup挑戰(zhàn)賽誕生了。
RoboCup挑戰(zhàn)賽設定的目的是通過一個易于評價的標準平臺促進人工智能與機器人技術的發(fā)展，目標是在2050年前后能組建一支機器人足球隊戰(zhàn)勝當年的人類世界杯冠軍。
趙明國教授告訴智東西，相比于國際象棋這種規(guī)則清晰的比賽項目，讓機器人踢足球項目中信息具有著不確定性，需要在現(xiàn)有人工智能和機器人技術上實現(xiàn)很多突破才能完成。
“RoboCup是一個對抗性的比賽而不是一次展示、一場表演。比賽有自己的規(guī)則，要求機器人必須完全自主運行，整個過程中需要在有限的場地中，完成物體識別、定位、決策等一系列任務。你完全不知道對手會采取什么樣的行動，很可能出現(xiàn)在單獨訓練中表現(xiàn)很好，但在賽場上表現(xiàn)不佳的情況。”
RoboCup將真實應用中需要的技術進行了抽象，比如動態(tài)環(huán)境、噪聲、隨機性等問題。比賽的規(guī)則一年比一年嚴苛，不斷向人類足球比賽方式靠近。說到今年比賽最大的難度，優(yōu)必選科技運動控制算法高級工程師董浩表示，今年的比賽場地增大了，環(huán)境范圍的倍增對機器人視覺系統(tǒng)和決策系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。
簡單講，機器人在場上需要在有限的時間內找到球，并且順利地夠到球。一場比賽的時間僅有20分鐘（上半場10分鐘，下半場10分鐘）。董浩補充說道，比賽規(guī)則中是不能夠使用無線通信的，所以機器人不能調度云端的內容和算力。雖然，RoboCup鼓勵使用語音技術，用語音命令機器人，但由于現(xiàn)場環(huán)境復雜，利用現(xiàn)有的語音識別技術實現(xiàn)難度很大。
由于比賽中不可以使用具有發(fā)射性的定位方案，如RGBD攝像機、激光雷達等具有發(fā)射裝置的測距傳感器，參賽團隊必須使用AI視覺技術，并且AI運算全部在本體的嵌入式平臺上進行，不可以接入到云端或者連網(wǎng)。優(yōu)必選科技視覺及SLAM算法高級工程師羅茜介紹，比賽中優(yōu)必選科技采用了雙目視覺方案，可以實現(xiàn)對賽場上8種物體的識別，包括球、線、對手、球柱等。
這種技術屬于機器人視覺范圍，是一種動態(tài)的識別，與物體識別、人臉識別這些計算機視覺技術有很大不同。趙明國教授進一步解釋說，這種物體識別和識別精度無關，更重要的是要快速反應，當球過來的時候能夠踢得到。物體識別影響著機器人后續(xù)的決策和行為，為了準確判斷移動中的球的位置，需要對球進行運動建模，對其運動進行分析和估計。
優(yōu)必選科技&清華大學火神隊在比賽中，基于嵌入式平臺可以達到每秒30幀的圖像處理速度，而在比賽之外，最高可以達到每秒70-80幀的處理速度，這對硬件平臺要求非常高。趙明國教授在采訪中也指出硬件的重要性，他說道：“硬件是制約服務機器人發(fā)展的關鍵，即使人工智能技術再領先，如果硬件平臺發(fā)展緩慢，人工智能技術也沒有應用的基礎。”
優(yōu)必選科技高級機械工程師李海雷提到，在RoboCup比賽中，優(yōu)必選科技的機器人硬件平臺采用的是第一代Walker，并根據(jù)比賽的需要做了針對性的方案設計，在保證必要功能的前提下，最大限度減輕硬件負擔。
當智東西問到，參加RoboCup最大的收獲是什么時，趙明國教授說道：“除了爭取贏得冠軍外，我們最核心的目的是檢測在技術方向上的進步或仍然存在的不足之處。今年主要是驗證機器人平臺在行走和控制兩方面的技術，能夠滿足未來3-5年的需求。”
二、趙明國——優(yōu)必選科技人形機器人研發(fā)的幕后大神
行動能力是人形機器人非常重要的能力。一直以來，在機器人的前沿技術研究上，美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)由于起步早，擁有先發(fā)優(yōu)勢，而中國則相對落后。國內從事人形機器人前沿技術研究的學者也寥寥無幾，能在國際上取得突破性成績的更是屈指可數(shù)。
趙明國教授在仿人機器人步態(tài)控制上擁有近20年的研發(fā)經歷，2003年趙明國教授進入清華自動化系工作，全身心投入到仿人機器人步態(tài)控制及無人駕駛自行車的研究中。
2007年基于被動行走原理，趙明國教授提出了“虛擬斜坡行走”方法，并在Stepper2D樣機上實現(xiàn)了4.48腿長/秒的雙足機器人行走速度記錄，使雙足機器人行走可以與奧林匹克競走運動員的速度相當。
除了“虛擬斜坡”動力行走方法，2012年趙明國教授還提出了另外一種方法——“髖部彈性驅動”，讓雙足機器人獲得高穩(wěn)定性和高能量效率。
趙明國教授和RoboCup的緣分可以追溯到2004年，2004年10月和12月，在兩場國內足球機器人比賽中，趙明國教授及其團隊就分別斬獲四腿組冠軍。在采訪中，趙明國教授告訴智東西，他最開始是從軟件方面入手做初級的研究。隨后的幾年里，趙明國及其所帶領的團隊一直在積極參與RoboCup國際比賽，從未缺席過，并且成績越來越好。
8年之后，趙明國教授帶領團隊參加RoboCup 2011年人形組AdultSize比賽，初次亮相就一舉獲得了季軍。
就在趙明國教授一步步攻克人形機器人研究難題的同時，在中國深圳，人工智能與人形機器人企業(yè)優(yōu)必選科技也開始了探索之路。
趙明國教授回憶到，他和優(yōu)必選科技CTO熊友軍是在2015年RoboCup合肥的一場比賽中正式見面的，在此之前雙方也經常通過電話交流。趙明國教授回憶說，在當時國內做人形機器人的企業(yè)寥寥無幾，而我們與優(yōu)必選科技團隊卻有著相同的理想：未來要讓智能機器人走進千家萬戶。
現(xiàn)在，趙明國教授作為優(yōu)必選科技人形機器人首席科學家和優(yōu)必選科技的人形機器人團隊院在最前沿的人形機器人技術上進行探索，我們看到火神隊在RoboCup中的精彩表現(xiàn)，其實只是他們研究工作的一部分。
當智東西問趙明國教授，在高校和企業(yè)做研發(fā)的區(qū)別是什么時，趙明國教授表示：高校更多的是關注探索前沿的工作，而企業(yè)則有更大的責任去實現(xiàn)技術的落地應用，優(yōu)必選科技把人形機器人作為人工智能的一個載體，希望實現(xiàn)技術和產品的落地，并應用于家庭。而企業(yè)的一大優(yōu)勢是可以在某些方面集中人力和資金，進行系統(tǒng)性的研發(fā)。
三、優(yōu)必選科技人形機器人未來研發(fā)思路
從全世界范圍來看，目前出現(xiàn)的最知名、運動能力最強的人形機器人主要有波士頓動力Atlas、本田ASIMO、俄羅斯Fedor以及優(yōu)必選科技的Walker。
目前Atlas還處于實驗室前沿探索階段，距離商業(yè)落地還很遠，波士頓動力正在大力推動四足機器人Spot的商業(yè)化，至今還未公布具體進展。本田ASIMO團隊雖然起步較早，但仍在進行商業(yè)化探索。俄羅斯的Fedor則是軍事項目，距離商用更遙遠。
由于目前整個行業(yè)正處于弱人工智能階段，技術尚不成熟，人形機器人落地難上加難，對優(yōu)必選科技亦是如此。不過，為了實現(xiàn)讓智能機器人走進千家萬戶的夢想，優(yōu)必選科技采用 “兩條腿走路”即COO養(yǎng)CTO的戰(zhàn)略。
具體來講，這一戰(zhàn)略分為兩個方面。首先，盡可能將現(xiàn)有技術實現(xiàn)產品商業(yè)化落地，在教育、娛樂、家庭、商用服務、安防等多個領域實現(xiàn)落地，推出相應的產品實現(xiàn)銷售，最重要的是能將研究成果迅速轉化成產品進行市場化驗證，收集來自用戶的行為反饋，從而為接下來的研究提供最有價值的參考。
其次，堅持布局最前沿的技術。優(yōu)必選科技從機器人領域核心技術伺服舵機入手，積累了一系列的核心技術。目前優(yōu)必選科技已經研發(fā)出高性能伺服驅動器及控制算法、多關節(jié)運動控制算法、面向服務機器人的計算機視覺算法、智能服務機器人自主導航定位算法、機器人操作系統(tǒng)應用框架ROSA等多項人工智能機器人核心技術，建立“硬件+軟件+服務+內容”的機器人生態(tài)圈。
在研發(fā)體系方面，優(yōu)必選科技已經構建起三層研發(fā)體系：第一層是產品團隊；第二層，在產品團隊之上，公司有自己的研究院，專注核心技術研發(fā)，產品團隊采用的核心技術基本都來自研究院；第三層，在研究院的基礎上，優(yōu)必選科技還有一個團隊專注于人工智能和機器人更長遠的前沿技術研發(fā)。優(yōu)必選科技在清華大學、華中科技大學設立了智能服務機器人聯(lián)合實驗室，在悉尼成立了人工智能中心。當上層的研究院有了技術突破，就會往下一層轉移。技術一旦成熟，就會應用到產品。
產品研發(fā)由位于深圳總部的團隊負責，前沿技術落地到產品上的成本控制問題也是由他們操盤。前沿技術研發(fā)主要分為兩個方向，一是機器人行動能力的研發(fā)，用趙明國教授的話說，就是解決機器人基本的走路問題，另一個則是人工智能技術的研究，比如智能語音、物體識別等。
目前，趙明國教授和優(yōu)必選科技Walker團隊專注于雙足機器人運動控制技術研究。從2015年Walker立項到2018 CES上推出雙足機器人Walker，再到2019 CES上推出完全具備人形形態(tài)的大型仿人服務機器人Walker新一代，Walker在三年時間內，已經初具人形機器人的基本技能。
▲左為第一代Walker，右為Walker新一代
趙明國教授在采訪中表示，優(yōu)必選科技未來將在Walker上持續(xù)迭代，目前Walker已經具備了人形機器人的初步形態(tài)，未來會在軟件和性能上做進一步的迭代，讓機器人更輕量化，成本更低，在設計、材料、原理方向上都會向著讓人形機器人落地家庭應用不斷努力。
相比于波士頓動力和本田，優(yōu)必選科技的人形機器人戰(zhàn)略更加開放。優(yōu)必選科技創(chuàng)始人、董事長兼CEO周劍曾提到優(yōu)必選科技要把機器人本體做好，未來要基于這一本體建立機器人生態(tài)，也希望更多的開發(fā)者能基于優(yōu)必選科技人形機器人平臺開發(fā)更多的功能，共同推動人形機器人的商業(yè)落地。
趙明國教授表示，在機器人領域，總的來說分為感知、定位、決策、運動、步態(tài)等幾個技術模塊，方法都是通用的。首先要把業(yè)內已知的方法都探索一遍，才知道不同方案的優(yōu)勢在哪里。
以步態(tài)算法為例，趙明國教授告訴智東西業(yè)內有很多方案，模擬人是其中的一類方法。和波士頓動力Atlas踩“梅花樁”類似，優(yōu)必選科技也嘗試做了腳印步態(tài)識別，比如針對十步之內到達球進行決策，進行路徑規(guī)劃。趙明國教授指出，方法的基本原理都是一致的，但由于硬件不同，所以不同的方案需要進行調整。不過，趙明國教授也坦言，這種方法不一定是最好的，也不一定會一直采用。
“未來的優(yōu)化方向，主要集中在讓機器人的這些能力模塊更輕、更好、速度更快，在硬件上建立一整套的系統(tǒng)方案，否則永遠只能是Demo。”
趙明國教授認為，機會和實力都很重要。如果技術夠硬，有長期的積累，當產品定義發(fā)生變化時，是可以快速跟進的。“這就是不同的積木組合，我們這樣做的目的是要保證當行業(yè)前景明確時，我們的技術能領先對手半年，系統(tǒng)更穩(wěn)定、性能更好。”
結語：人形機器人走入家庭的夢想已經初具雛形
RoboCup是人形機器人研發(fā)成果檢驗的重要比賽。此次，優(yōu)必選科技能夠和清華大學一起捧回RoboCup的獎杯，正是因為堅持不懈的研發(fā)和投入，以及像趙明國教授一樣的在人形機器人前沿技術上苦心鉆研的技術大牛的加入。
值得驕傲的是，中國的科研機構和科技企業(yè)正在以驚人的研發(fā)速度快速縮短和世界先進水平的差距，優(yōu)必選科技讓智能機器人進入千家萬戶的夢想已經初見雛形。
