清華機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室：這么酷，又有用，還出人

金逸堃 樸添勤

2015年清華大學(xué)成立104周年校慶期間活動(dòng)不斷，校慶當(dāng)天100個(gè)實(shí)驗(yàn)室向校友及社會(huì)開放，其中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室吸引了眾多人的眼球，參觀者不禁贊嘆有這么酷的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)……為了了解更多，隨后我們采訪了清華大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)師趙明國。

Robocup冠軍10年前就拿了

年輕的趙明國發(fā)動(dòng)自動(dòng)化系的同學(xué)組建了機(jī)器人足球隊(duì)，即清華大學(xué)“火神隊(duì)”。2004年，火神隊(duì)帶著實(shí)驗(yàn)室買的Sony公司的機(jī)器狗參加了國內(nèi)的Robocup（機(jī)器人大賽）。

當(dāng)時(shí)許多隊(duì)伍都用的是德國隊(duì)的代碼，而火神隊(duì)由于設(shè)計(jì)體系和思路與澳大利亞隊(duì)相似，采用了澳大利亞隊(duì)的代碼。（比賽編程軟件是開放的，所有參賽隊(duì)伍用到的程序都是根據(jù)種種國外賽事的資料，通過學(xué)習(xí)優(yōu)秀隊(duì)伍的代碼，在其原有基礎(chǔ)上再進(jìn)行改編和創(chuàng)造）“那個(gè)代碼很繁瑣，并不是很好算。我們現(xiàn)場將代碼拍了圖片，就由同學(xué)們拿到宿舍去計(jì)算?！壁w明國回憶起來還帶著笑意，“別的學(xué)校在現(xiàn)場熱火朝天地進(jìn)行計(jì)算，我們在現(xiàn)場拍幾張照片就走了，其他隊(duì)都驚呼清華好厲害，其實(shí)我們是不好意思當(dāng)著別人的面處理這么多代碼，因?yàn)榕艹绦蛞芙咏鼉蓚€(gè)小時(shí)?！倍荣惤Y(jié)果卻讓趙明國大吃一驚，他們得了冠軍。

如今，這批機(jī)器狗珍藏在清華機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室里，雖然在市場上已經(jīng)尋覓不到它們的身影，但趙明國覺得它們永遠(yuǎn)都不會(huì)過時(shí)?！八鼈兪欠浅：?、非?？蓯鄣漠a(chǎn)品，現(xiàn)在都很少有機(jī)器人能比得了。”這種編程后即可快速投入比賽的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，是他一開始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)比賽時(shí)最好的伙伴。

跑得更快

2007年，火神隊(duì)參加了國際Robocup比賽，第一次國際比賽，他們的雙足機(jī)器人就在12米競速走挑戰(zhàn)賽中得了第一名，成為當(dāng)時(shí)跑得最快的機(jī)器人?！盎貋砗笤S多人來參觀，把我們的機(jī)器都跑壞了?！壁w明國笑著說。在雙足機(jī)器人直走速度上做出突出貢獻(xiàn)的小伙子張楫，令趙明國印象深刻，他是全系公認(rèn)做步態(tài)研究做得最好的學(xué)生，一米九十多的大高個(gè)，所有人都以為他是體育特招生，其實(shí)他是物理、數(shù)學(xué)競賽保送生，科研能力很強(qiáng)。當(dāng)時(shí)他的輔導(dǎo)員是自動(dòng)化系的研究生，也是機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室隊(duì)長，引薦他加入。

大二時(shí)張楫就開始跟自己的輔導(dǎo)員一起準(zhǔn)備Robocup，他動(dòng)手很快，又很有想法，短短一個(gè)多月就在機(jī)器人步態(tài)研究方面有進(jìn)展，并在國內(nèi)期刊上發(fā)表了文章——論文審查往往需要幾周到幾月的時(shí)間，他卻三四天就被通知錄用了。而此時(shí)，引薦他來實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)讀研二的隊(duì)長雖然做了很多重要的代碼工作，但還未發(fā)表一篇文章，得知張楫發(fā)表論文的消息，隊(duì)長高興之余也暗自更加努力做出自己的科研成果。

2007年后，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了戰(zhàn)略調(diào)整，成立人形組，開始關(guān)注機(jī)器人硬件，做了大大小小幾個(gè)優(yōu)秀的人型機(jī)器人。在不斷地演練與測算中，同學(xué)們將機(jī)器人觀察、捕捉、運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)度不斷提高。每個(gè)同學(xué)也都在不停地完成新的任務(wù)，豐富了自己多方面的技能。2012年，實(shí)驗(yàn)室的何建軍同學(xué)實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)器人快速踢球動(dòng)作的編輯算法，即通過幾個(gè)參數(shù)的修改，機(jī)器人就能夠自動(dòng)生成新的踢球動(dòng)作。這種方法解決了踢球動(dòng)作規(guī)劃的快速性，但效果的好壞還需要人的監(jiān)督。目前，侯一凡同學(xué)受這一方法的啟發(fā)，正在開發(fā)一種可以直接模仿人動(dòng)作的方法，已經(jīng)取得了初步的成果，并發(fā)表了一篇國際會(huì)議論文。

看得更準(zhǔn)

踢球最基本的是知道球在什么位置，關(guān)于球的識(shí)別，實(shí)驗(yàn)室一度找不到特別好的算法，往往當(dāng)球被遮擋的時(shí)候就識(shí)別不出來?！?013屆徐持衡的算法解決了這個(gè)問題，是當(dāng)時(shí)我見過最好的方法。”趙明國到現(xiàn)在仍忍不住贊嘆。

徐持衡是計(jì)算機(jī)系的，參加過奧林匹克信息競賽，他在原有的體系下做出了最有效的識(shí)別算法，即使球被隱藏在其他機(jī)器人身后、僅僅露出一個(gè)月牙兒，也能準(zhǔn)確地識(shí)別出來。這個(gè)方法一直運(yùn)用到2014年?！艾F(xiàn)在他放棄了香港大學(xué)博士、MIT讀博士offer，發(fā)揮其科研能力，跟當(dāng)時(shí)在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的幾個(gè)小伙伴，到清華科技園創(chuàng)業(yè)做計(jì)算機(jī)視覺，計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用很廣，比如工業(yè)監(jiān)控，最近很火的顏齡測試網(wǎng)站How old.net 也是利用計(jì)算機(jī)視覺。公司現(xiàn)在有四五十人，做得非常好?！壁w老師說，“大概有十幾個(gè)人的時(shí)候，我去了一次，發(fā)現(xiàn)好多人是我們實(shí)驗(yàn)室走出來的，都被他們招去了。

趙老師說，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室給大家絕對的空間，有些人做不下去離開，也有些人做得好，在組建自己的小團(tuán)隊(duì)，研究過程中也會(huì)遇到很多頭疼的、做得不太順利的、甚至失敗的，實(shí)驗(yàn)室也給他們時(shí)間成長。

攻堅(jiān)聯(lián)盟

機(jī)器人研究，不僅僅是比賽，最終還是要和教育結(jié)合起來。2009年開始，參與國際賽事、研發(fā)相關(guān)機(jī)器人的研究模式正式改成自動(dòng)化系一門正式課程?！?007年以后的機(jī)器人大賽中，我們至少拿到前三名，后來我們開始不強(qiáng)調(diào)成績，不要求研究生參與，而是在三年級(jí)本科生里選優(yōu)秀的學(xué)生來培養(yǎng)，通過比賽的過程去檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果和測試綜合能力”。

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室一般每年十幾個(gè)人，第一年參加比賽后，下一年又有七八個(gè)新隊(duì)員進(jìn)來，愿意留下來的老隊(duì)員再作為助教帶新隊(duì)員，或者帶著自己的小團(tuán)隊(duì)繼續(xù)攻關(guān)。這樣滾動(dòng)循環(huán)，總有新鮮血液也總有老隊(duì)員傳承。機(jī)器人是特別龐大的一個(gè)體系。隊(duì)員進(jìn)來對整體初步了解之后，會(huì)選擇某一感興趣的部分。小組內(nèi)部的題目不停變換，學(xué)生根據(jù)自己專長，不停接受挑戰(zhàn)。

國際比賽每年的規(guī)則也都會(huì)變，隊(duì)員必須根據(jù)新的規(guī)則作出調(diào)整。“比如，原來是橙色的球，我們識(shí)別得非常好，但今年換成白色球，就更容易跟一些logo或者坐席中的白襯衫等各種東西混淆，怎么樣把它識(shí)別出來是我們的新課題?！壁w老師說，“老隊(duì)員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)拍幾百張照片，編了一個(gè)類似英語考級(jí)的歷史情況測試題庫，來評(píng)測完成質(zhì)量。”

隊(duì)員們還會(huì)因任務(wù)不同進(jìn)行配合。開始的時(shí)候可能是搞步態(tài)的一組、搞視覺的一組、搞決策的一組……根據(jù)比賽需要依具體的任務(wù)再進(jìn)行組合協(xié)同，比如任務(wù)是把球抓起來拋出去或者是把球踢得很高，就要考慮這個(gè)由誰來做該怎么做，如果是視覺和運(yùn)動(dòng)的配合，就要找懂視覺和懂運(yùn)動(dòng)的隊(duì)員來協(xié)同。趙老師說：“很有意思的是，隊(duì)員之間還有各種奇怪的內(nèi)部昵稱，我不太懂，但他們覺得昵稱能把任務(wù)與人迅速匹配?！?/p>

這個(gè)過程不斷地鍛煉大家協(xié)調(diào)協(xié)作的能力。每周四上課時(shí)，老師講解與輔導(dǎo)；而周六是實(shí)驗(yàn)室開放日，隊(duì)員們自己拿著鑰匙、協(xié)調(diào)時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主研發(fā)。2014年在巴西比賽期間趙老師在美國，包括組織比賽、參加比賽幾乎所有事情全部他們自己搞定。

走向?qū)嵱?/p>

趙老師說，也許明年就不會(huì)參加Robocup比賽了。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室正在從比賽型向國際競賽驅(qū)動(dòng)的研究型轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)室正在研究足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法、基于被動(dòng)行走的動(dòng)力行走方法和機(jī)器人定位技術(shù)?！伴_始是為了比賽而學(xué)習(xí)這些技術(shù)，現(xiàn)在是研究這些技術(shù)并在比賽中進(jìn)行測試。”趙明國闡釋道。國際上已經(jīng)出現(xiàn)一些更新更專業(yè)的應(yīng)用型比賽，今年一個(gè)國際會(huì)議上出現(xiàn)亞馬遜贊助的叫pick-up的比賽，亞馬遜有自動(dòng)的倉儲(chǔ)物流，自動(dòng)化基本都解決了，就是B2C的過程要把商品從架子上拿出來還需要人來做。Pick-up就把這個(gè)變成一個(gè)題目，在機(jī)器人的一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議上搞一個(gè)比賽，他們很感興趣，希望做一些應(yīng)用型的機(jī)器人。

責(zé)任編輯：樸添勤