當(dāng)代機(jī)器人都裝備了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),但在行動(dòng)中對(duì)地形的適應(yīng)卻一直是個(gè)難點(diǎn)。來(lái)自挪威奧斯陸大學(xué)的科學(xué)家們?yōu)榇碎_(kāi)發(fā)了新型四足的機(jī)器人,當(dāng)它遇到不同的表面時(shí)可以調(diào)整自己的腿長(zhǎng)和行走步態(tài),這種能力可以提高它的能源效率和在不可預(yù)知的環(huán)境中的表現(xiàn)。
1.認(rèn)識(shí)DyRET
該機(jī)器人被叫做Dyret(在挪威語(yǔ)里是“動(dòng)物”的意思),被稱(chēng)為是首個(gè)能根據(jù)不同條件自動(dòng)改變形態(tài)的四足機(jī)器人。通過(guò)混合使用傳感器、攝像頭和人工智能,機(jī)器人能在遇到不同地形時(shí)識(shí)別并機(jī)械地調(diào)整腿的長(zhǎng)度進(jìn)而調(diào)整身體形狀、優(yōu)化其步態(tài)以適應(yīng)特定表面。
這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人尼加德表示,這種機(jī)器人能不斷地學(xué)習(xí)其所行走的環(huán)境,然后結(jié)合它在受控環(huán)境中獲得的知識(shí)來(lái)適應(yīng)環(huán)境。
據(jù)了解,研究人員首先訓(xùn)練機(jī)器人在碎石、沙子和混凝土上的行走能力,然后讓它在從未涉足的草地上行走。雖然這似乎不是最麻煩的地形,但研究人員指出,任何不同形態(tài)的地面對(duì)長(zhǎng)腿機(jī)器人來(lái)說(shuō)都是全新真正的挑戰(zhàn)。
這種類(lèi)似狗的變形機(jī)器人可以動(dòng)態(tài)的拉長(zhǎng)其四只腿,研究人員在挪威和澳大利亞進(jìn)行了測(cè)試,幫助DyRET學(xué)習(xí)如何延長(zhǎng)或縮短其四肢,以適應(yīng)不同類(lèi)型的地形。奧斯陸大學(xué)和挪威國(guó)防研究機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家尼加德說(shuō):“現(xiàn)階段已經(jīng)可以將機(jī)器人帶到戶(hù)外,并且學(xué)習(xí)適應(yīng)環(huán)境,它能夠使用人類(lèi)賦予它們的智能。”
2.四足機(jī)器人的復(fù)雜“進(jìn)化”
陸生動(dòng)物沒(méi)有四肢可伸展,因?yàn)槭紫葟纳飳W(xué)上講這是不可能的,而且也不是必須的。由于數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化,人類(lèi)的身體、獵豹或者狼都具有令人難以置信的敏捷性,在奔跑運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以不斷掃視前方的障礙物,但是關(guān)節(jié)伸縮的功能則沒(méi)有。
可以伸縮的四肢,視頻截圖來(lái)自?shī)W斯陸大學(xué)
另一方面,機(jī)器人的進(jìn)化也需要一些調(diào)整,即使像波士頓動(dòng)力公司的機(jī)器狗Spot之類(lèi)的超級(jí)復(fù)雜機(jī)器,也無(wú)法在復(fù)雜的地形中導(dǎo)航。使機(jī)器人伸縮支腿既可以提高它們?cè)诓煌砻嫔弦苿?dòng)時(shí)的穩(wěn)定性,又可以提高能效。到處亂逛會(huì)消耗大量的電池電量,并且機(jī)器人晃動(dòng)可能會(huì)傷害自己或附近的人。
“我認(rèn)為擁有可調(diào)節(jié)的身體是一個(gè)特別好的主意,”南加州大學(xué)的工程師弗朗西斯科·瓦萊羅·奎瓦斯說(shuō),他參與開(kāi)發(fā)過(guò)四足機(jī)器人。“技術(shù)在不斷迭代,可調(diào)節(jié)的機(jī)身使未來(lái)的機(jī)器人變得更加靈活。”
尼加德和他的同事們首先從字面上構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)沙箱,讓DyRET接受平衡訓(xùn)練。在實(shí)驗(yàn)室中,他們用水泥,礫石和沙子填充了長(zhǎng)長(zhǎng)的盒子,代表了機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中可能發(fā)現(xiàn)的各種不同地形?;炷帘容^平整,但沙地充滿(mǎn)不確定性,因?yàn)槊孔咭徊?,機(jī)器人的腿都會(huì)傾斜或者下沉;礫石是一種堅(jiān)硬表面的物質(zhì),但碎石會(huì)移動(dòng),使DyRET的腳步變得蹣跚。尼加德說(shuō):“通過(guò)具有不同硬度和粗糙度的三個(gè)地形示例,可以很好地表示出機(jī)器人形態(tài)或身體與環(huán)境之間的一般相互作用。”
實(shí)驗(yàn)室內(nèi)訓(xùn)練機(jī)器人平衡度的不同地面物質(zhì)
DyRET機(jī)器人有四個(gè)腿,頂部有一個(gè)手柄,供研究人員抓住。機(jī)器人的腿總共可以延伸6英寸,但可以在兩個(gè)位置延伸:在膝蓋上方的“股骨”和膝蓋下方的“脛骨”。這使機(jī)器能夠以不同的長(zhǎng)度設(shè)置其支腿部分。例如它可以伸縮四肢,使其股骨更長(zhǎng)而脛骨更短,反之亦然。研究人員可以調(diào)整這些配置,將DyRET放到每個(gè)地形上,可以讓它像狗或貓一樣運(yùn)動(dòng),然后計(jì)算它們?cè)诿總€(gè)地形中的效率。
更具體地說(shuō),研究人員將“移動(dòng)成本”視為一種效率,這與生物學(xué)家觀察動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)所使用的度量相同?;旧希@是一個(gè)生物或機(jī)器人消耗多少能量來(lái)實(shí)施移動(dòng)的行為,行走時(shí)的做工、穩(wěn)定性都被編碼到電腦中,這對(duì)于DyRET這樣的昂貴機(jī)器人很重要。
研究人員測(cè)量了機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)中的能量消耗,并使用攝像頭監(jiān)視其運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人還具有自己的深度感應(yīng)相機(jī),用于表征表面的粗糙度。例如,觀察到混凝土比礫石光滑得多。機(jī)器甚至可以將腳趾浸入水中,可以這么說(shuō):腳上的力傳感器向其提供有關(guān)沙子比混凝土軟得多的信息;攝像機(jī)和力傳感器一起為DyRET提供了復(fù)雜的視覺(jué),隨時(shí)監(jiān)控正在行走的過(guò)程以及運(yùn)行的效率。
當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到它正在從混凝土過(guò)渡到礫石時(shí),可以看到它降低了高度
研究人員發(fā)現(xiàn),在混凝土上行走時(shí),變形機(jī)器人的腿較長(zhǎng),效率最高。在沙子中,只要脛骨短,它就可以有效地伸縮任何股骨長(zhǎng)度。在礫石上,DyRET的整體肢體較短,表現(xiàn)很出色,這是有道理的:較低的重心將使機(jī)器人在小巖石上爬升時(shí)具有更好的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō),較短的腿使機(jī)器人可以施加更大的力踩住較松的物料,而較長(zhǎng)的腿則可以提高在較光滑物料上行走的速度。
所有這些訓(xùn)練為機(jī)器人提供了如何針對(duì)特定表面,協(xié)調(diào)最佳肢體配置的經(jīng)驗(yàn)。因此,當(dāng)研究人員隨后將DyRET帶到其他地形上時(shí),機(jī)器人可以用其攝像機(jī)注視地面,并通過(guò)力傳感器來(lái)感知其腳下的物體,將這些數(shù)據(jù)與有關(guān)混凝土外觀的感覺(jué)的先前信息進(jìn)行比較。然后,機(jī)器人便知道如何在道路上行走,調(diào)整步幅,實(shí)現(xiàn)更高效率。
DyRET甚至可以適應(yīng)草皮地形,起初它的表現(xiàn)還很不穩(wěn)定,但是很快,它就能夠了解哪些身體形狀表現(xiàn)更好,適應(yīng)新環(huán)境
3.未來(lái),讓機(jī)器人感知適應(yīng)自己的身體
隨著機(jī)器人學(xué)習(xí)技術(shù)變得越來(lái)越復(fù)雜,在過(guò)去十年左右的時(shí)間里,機(jī)器人專(zhuān)家習(xí)慣在模擬中訓(xùn)練四足機(jī)器人。也就是說(shuō),先要訓(xùn)練在虛擬世界中控制機(jī)器人的軟件,在該虛擬世界中,模擬的機(jī)器人可以進(jìn)行數(shù)千次步行嘗試,并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)會(huì)懲罰錯(cuò)誤并獎(jiǎng)勵(lì)成功的操作,直到虛擬機(jī)器人學(xué)習(xí)到最佳行為為止,這是一種稱(chēng)為強(qiáng)化學(xué)習(xí)的技術(shù)。然后,機(jī)器人專(zhuān)家可以將這些知識(shí)移植到現(xiàn)實(shí)世界中的機(jī)器人和步行機(jī)中。
除此之外,該技術(shù)存在“模擬到現(xiàn)實(shí)”過(guò)渡的問(wèn)題:無(wú)法在虛擬環(huán)境中完美地模擬物理世界的復(fù)雜性,因此通過(guò)模擬獲得的知識(shí)并不總是與現(xiàn)實(shí)世界相吻合,這意味著實(shí)際的機(jī)器人可能會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境有模糊的了解。
相比之下,這些研究人員使用DyRET所做的只是在現(xiàn)實(shí)世界中訓(xùn)練機(jī)器人。當(dāng)然,這也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn):變形機(jī)器人的學(xué)習(xí)速度要慢得多,并有可能經(jīng)常因?yàn)樗さ绞艿綋p傷。奧斯陸大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家凱爾·格萊特說(shuō):“地形差異等因素讓實(shí)際操控比說(shuō)起來(lái)要難得多,毫無(wú)軌跡可循,難以通過(guò)模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。”。
客觀的說(shuō),當(dāng)下DyRET的運(yùn)動(dòng)仍然顯得緩慢,尤其是與Spot這樣的先進(jìn)四足機(jī)器人相比,比如它需要90秒才能完全伸展或收縮機(jī)器人的腿。但是研究人員希望可以同時(shí)改善DyRET的硬件和底層算法,也許有一天可以使其他變形機(jī)器人都可采用這類(lèi)系統(tǒng)。實(shí)際上,在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室中,更大的想法是使硬件和軟件協(xié)同工作,以使機(jī)器人更好地感知地形并適應(yīng)其身體和行為,這才能讓機(jī)器人技術(shù)最終流行起來(lái)。