雙足機(jī)器人首次完成戶外五公里跑，無任何安全輔助條件下五十三分鐘跑完全程

有史以來，第一次完成戶外5公里跑步的機(jī)器人誕生。近日，俄勒岡州立大學(xué)的研究人員讓一個(gè)兩足機(jī)器人Cassie完成了上述跑步。

憑借纖細(xì)的紅腿、鴕鳥的步伐和腹部的推力，它在53分鐘內(nèi)跑完全程，沒有系安全帶，并且只充了一次電。

“這是機(jī)器人第一次學(xué)會(huì)走路和跑步，并成功地越過人類地形和正常地形”，俄亥俄州立大學(xué)機(jī)器人教授、Agility robotics創(chuàng)始人和CTO喬納森·赫斯特表示，“這是真實(shí)世界的環(huán)境，不是在跑步機(jī)上的實(shí)驗(yàn)室那種東西?！?/p>

據(jù)悉，Cassie是一個(gè)兩腿機(jī)器人，由俄勒岡州立大學(xué)孵化出來的公司Agility Robotics制造，曾獲得美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的100萬美元撥款。

研究團(tuán)隊(duì)耗時(shí)16個(gè)月研發(fā)完畢，并于2017年首次推出Cassie，目前一臺(tái)售價(jià)大約7萬美元。

兩足機(jī)器人Cassie

2020年，該校剝離出Agility Robotics，不過該公司一直在推動(dòng)雙足機(jī)器人的商業(yè)應(yīng)用。據(jù)介紹，Cassie是通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法學(xué)會(huì)了跑步能力，它還能在轉(zhuǎn)換位置或運(yùn)動(dòng)時(shí)保持平衡。

概括來說，該團(tuán)隊(duì)將生物力學(xué)知識(shí)、機(jī)器人控制方法、以及機(jī)器學(xué)習(xí)工具相結(jié)合，最終塑造了Cassie。

同時(shí)，Cassie也是該公司的第一款產(chǎn)品，它穩(wěn)定、精確的步伐參考了鳥類步態(tài)。和鴕鳥一樣，Cassie臀部有三個(gè)自由度，腳踝柔韌有力，但膝蓋只能單向彎曲。它的整個(gè)底盤非常輕，能以比較自然的方式去吸收沖擊，就像人類走路一樣。

不同于波士頓動(dòng)力公司的四足機(jī)器人，對(duì)于四條腿站立的機(jī)器人，很難用外部物體把它撞倒。而Cassie是兩條腿，因此似乎更容易被撞倒。但該團(tuán)隊(duì)表示，這種情況或?qū)⒏淖?，因?yàn)樾碌纳疃葘W(xué)習(xí)技術(shù)可讓兩足機(jī)器人在移動(dòng)過程中，開發(fā)出自我穩(wěn)定的新方法。

盡管如此，這些方法也并非完美無缺。此次Cassie的運(yùn)行時(shí)間包括大約6.5分鐘的故障排除時(shí)間，在5公里跑中跌倒了兩次，期間研究人員處理了電腦過熱和一個(gè)糟糕的轉(zhuǎn)彎，這導(dǎo)致Cassie的主機(jī)從腿上摔了下來。

但是，赫斯特仍然相信，兩足機(jī)器人將成為常態(tài)，并與人類融合在一起。其潛在應(yīng)用場(chǎng)景主要在于災(zāi)后搜救、物流包裹運(yùn)送和家庭智能服務(wù)等。

兩足機(jī)器人Cassie在測(cè)試

對(duì)于此次成績(jī)，浙江之江實(shí)驗(yàn)室PI研究員、前本田技研先端中心研究員、大阪大學(xué)博士&特聘研究員付春江表示，對(duì)能耗的追求其實(shí)在美國(guó)DRC機(jī)器人挑戰(zhàn)賽中就已初見端倪，相比傳統(tǒng)的剛體機(jī)器人比如ASIMO和ATLAS，斯坦福研究院的SRI的DURUS在更早之前、就已實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的行走。

而此次Cassie把雙足機(jī)器人的節(jié)能性推到了新高度。舉例來說，智能手機(jī)之所以成為日用品，就是起碼能保證一天一充電。其實(shí)，之前CassieE實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作數(shù)小時(shí)，只不過那時(shí)它采用的控制方法需要限制步幅，即仍然停留在行走這種方式。

而此次的5公里，是在慢跑步態(tài)下實(shí)現(xiàn)的，確實(shí)更具沖擊力。不同于全地形和全身動(dòng)作，行走的學(xué)習(xí)控制核心思路也沒有慢跑的復(fù)雜。而從俄勒岡州立大學(xué)ICRA2021的控制框圖可以看到，在承擔(dān)主要非線性、非連續(xù)動(dòng)力學(xué)任務(wù)時(shí)，仍是讓降維模型的穩(wěn)定周期運(yùn)動(dòng)來作為步態(tài)庫，去對(duì)控制策略網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行引導(dǎo)。

俄勒岡州立大學(xué)ICRA2021的控制框圖

付春江指出，相比之前純粹的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，這可省去不少訓(xùn)練量。當(dāng)然，全步態(tài)學(xué)習(xí)包括跑步有著更復(fù)雜的無模型學(xué)習(xí)方法、回報(bào)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)參和軟硬件遷移，但主要還是依賴大規(guī)模仿真數(shù)據(jù)。

該團(tuán)隊(duì)于2021年發(fā)表的一篇論文指出，周期回報(bào)組合設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵。此外如下圖所示，該研究還用到了LSTM網(wǎng)絡(luò)和PPO訓(xùn)練方法。

LSTM網(wǎng)絡(luò)和PPO訓(xùn)練方法

付春江表示，Cassie此次實(shí)現(xiàn)5公里慢跑，是抗擾柔性硬件結(jié)構(gòu)、調(diào)試數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)的積累、以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)的綜合積累結(jié)果。

Cassie的“妹妹”Digit更具實(shí)用性

目前該公司還研發(fā)了Digit機(jī)器人。據(jù)悉，Digit上身集成了傳感器和兩個(gè)4自由度臂，還有一個(gè)用于額外計(jì)算和自定義負(fù)載集成的托架。

研究團(tuán)隊(duì)和Digit

它的實(shí)用性更強(qiáng)，只需少量額外編程即可執(zhí)行簡(jiǎn)單的任務(wù)。據(jù)介紹，Digit于2018年開始開發(fā)，并于2020年中期推向市場(chǎng)。Digit具有穩(wěn)健的步行和跑步步態(tài)，具備爬樓梯、以及自主導(dǎo)航的感知能力。

目前，Digit已可用于搬運(yùn)包裹。

Digit已可用于搬運(yùn)包裹

即便遇到臺(tái)階，它仍可以搬著包裹上去。

赫斯特曾表示，該公司正在和福特公司合作，主要想解決最后一公里問題。Digit的獨(dú)特設(shè)計(jì)讓它可以被折疊，平時(shí)放在汽車后備箱即可隨車攜帶，一旦車輛到達(dá)目的地，就可讓Digit抓取包裹、并執(zhí)行交付過程的最后一步。

遇到臺(tái)階，它仍可以搬著包裹上去

創(chuàng)始人曾不被看好，為此曾將Cassie送給好友做研發(fā)

談及Agility Robotics和高校的合作模式，付春江表示，公司與高校合作的最大收益是試錯(cuò)。他說，Agility Robotics創(chuàng)始人赫斯特在卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）讀書時(shí)是硬件出身，期間設(shè)計(jì)了很多串并聯(lián)彈性元件、變阻抗機(jī)構(gòu)。

赫斯特對(duì)剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)十分執(zhí)著，并相信通過硬件的實(shí)踐創(chuàng)新，可以倒逼控制的發(fā)展，但是當(dāng)時(shí)CMU機(jī)器人學(xué)院院長(zhǎng)克里斯·阿特金森不是很支持他。比較幸運(yùn)的是，密歇根大學(xué)機(jī)器人研究所所長(zhǎng)杰西·格里茲爾很看好赫斯持的工作。

由于當(dāng)時(shí)混合零動(dòng)力控制這條線在處理跑步時(shí)，需要加入彈性倒立擺模型作為零動(dòng)力核心。在實(shí)現(xiàn)彈簧倒立擺的基礎(chǔ)上，彼時(shí)已在俄勒岡大學(xué)教書的赫斯特、及其學(xué)生安迪·阿巴特嘗試過很多構(gòu)型，最終發(fā)現(xiàn)串并聯(lián)混合模型加玻璃纖維板，不僅能在一定工作空間上實(shí)現(xiàn)彈性倒立擺模型，還能在末端工作空間形成剛度橢圓抗地面干擾。

Agility Robotics公司的理念就是讓人形機(jī)器人走到人能去的任何地方

但柔性元件的加入對(duì)控制提出了新要求，因?yàn)闊o法找到證明穩(wěn)定性的多項(xiàng)式形式的李雅普諾夫函數(shù)。所以Cassie被發(fā)到赫斯特的高?！芭笥讶Α?，并嘗試了不同的方法。

比如前哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授、現(xiàn)波士頓動(dòng)力的Atlas團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人斯科特·昆德斯馬就曾在Cassie身上嘗試強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方式;密歇根大學(xué)的杰西·格里茲爾則使用了非線性控制的方式;加州理工學(xué)院機(jī)械和土木工程、以及控制和動(dòng)力系統(tǒng)的教授亞倫·艾姆斯用的是魯棒優(yōu)化控制的方式。

后來，斯科特·昆德斯馬跳槽到波士頓動(dòng)力，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的嘗試也被移交給加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授米歇爾·范·德·帕內(nèi)，并于2018年取得應(yīng)用性突破。Agility Robotics確認(rèn)效果后收回到自己公司，并開始大力投入此方向。

付春江補(bǔ)充稱，Agility Robotics公司的理念就是讓人形機(jī)器人走到人能去的任何地方。

同時(shí)，Agility Robotics也在積極擁抱資本，2018年該公司獲得800萬美元的資金，投資方分別是此前投資者Robotics Hub，以及新加入的Playground Global和索尼創(chuàng)新基金。2020年，該公司再次獲得2000萬美元的投資，這次的融資額度和投資人數(shù)都比上次更多。

而關(guān)于兩足機(jī)器人在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，付春江表示：“國(guó)內(nèi)仿人雙足機(jī)器人經(jīng)過長(zhǎng)期積累和發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到或部分超過國(guó)際一流水平，比如北京理工大學(xué)的硬件性能，優(yōu)必選公司的人機(jī)交互多樣性，浙江大學(xué)和南方科技大學(xué)的新型控制等?！?/p>

最近的科研范式開始轉(zhuǎn)向公司、高校、研究所大規(guī)模混合制趨勢(shì)，比如谷歌的AlphaFold2論文有34個(gè)不同領(lǐng)域行業(yè)的大牛作者，參與支撐的人數(shù)肯定也遠(yuǎn)超這個(gè)數(shù)字。因此國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人若想達(dá)到國(guó)際頂級(jí)水平，可能還需要有力部門組織深入合作，并召集海外學(xué)者貢獻(xiàn)創(chuàng)新力量。（摘自關(guān)《深科技》） （編輯/克珂）