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，“這是真實世界的環(huán)境，不是在跑步機(jī)上的實驗室那種東西?！?/p>

據(jù)悉，Cassie是一個兩腿機(jī)器人，由俄勒岡州立大學(xué)孵化出來的公司Agility Robotics制造，曾獲得美國國防部高級研究計劃局的100萬美元撥款。

研究團(tuán)隊耗時16個月研發(fā)完畢，并于2017年首次推出Cassie，目前一臺售價大約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)會了跑步能力，它還能在轉(zhuǎn)換位置或運動時保持平衡。

概括來說，該團(tuán)隊將生物力學(xué)知識、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，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臀部有三個自由度，腳踝柔韌有力，但膝蓋只能單向彎曲。它的整個底盤非常輕，能以比較自然的方式去吸收沖擊，就像人類走路一樣。

不同于波士頓動力公司的四足機(jī)器人，對于四條腿站立的機(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)隊表示，這種情況或?qū)⒏淖儯驗樾碌纳疃葘W(xué)習(xí)技術(shù)可讓兩足機(jī)器人在移動過程中，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的運行時間包括大約6.5分鐘的故障排除時間，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)用場景主要在于災(zāi)后搜救、物流包裹運送和家庭智能服務(wù)等。

兩足機(jī)器人Cassie在測試

對于此次成績，浙江之江實驗室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，對能耗的追求其實在美國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、就已實現(xiàn)較長時間的行走。

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，之前CassieE實現(xiàn)連續(xù)工作數(shù)小時，只不過那時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)下實現(xiàn)的，確實更具沖擊力。不同于全地形和全身動作，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)動力學(xué)任務(wù)時，仍是讓降維模型的穩(wěn)定周期運動來作為步態(tài)庫，去對控制策略網(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、回報設(shè)計、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)隊于2021年發(fā)表的一篇論文指出，周期回報組合設(shè)計是其關(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4自由度臂，還有一個用于額外計算和自定義負(fù)載集成的托架。

研究團(tuán)隊和Digit

它的實用性更強(qiáng)，只需少量額外編程即可執(zhí)行簡單的任務(wù)。據(jù)介紹，Digit于2018年開始開發(fā)，并于2020年中期推向市場。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已可用于搬運包裹。

Digit已可用于搬運包裹

即便遇到臺階，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的獨特設(shè)計讓它可以被折疊，平時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。他說，Agility Robotics創(chuàng)始人赫斯特在卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）讀書時是硬件出身，期間設(shè)計了很多串并聯(lián)彈性元件、變阻抗機(jī)構(gòu)。

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

由于當(dāng)時混合零動力控制這條線在處理跑步時，需要加入彈性倒立擺模型作為零動力核心。在實現(xiàn)彈簧倒立擺的基礎(chǔ)上，彼時已在俄勒岡大學(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控制提出了新要求，因為無法找到證明穩(wěn)定性的多項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)院的工程與計算機(jī)科學(xué)助理教授、現(xiàn)波士頓動力的Atlas團(tuán)隊負(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，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)器人在國內(nèi)的發(fā)展，付春江表示：“國內(nèi)仿人雙足機(jī)器人經(jīng)過長期積累和發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到或部分超過國際一流水平，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。”

最近的科研范式開始轉(zhuǎn)向公司、高校、研究所大規(guī)?；旌现期厔?，比如谷歌的AlphaFold2論文有34個不同領(lǐng)域行業(yè)的大牛作者，參與支撐的人數(shù)肯定也遠(yuǎn)超這個數(shù)字。因此國內(nèi)雙足機(jī)器人若想達(dá)到國際頂級水平，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）