MIT的研究人員開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)，可以提高腿式機(jī)器人跳過(guò)地形間隙時(shí)的速度和敏捷性。

使用美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的機(jī)器人迷你獵豹展示的一種新的控制系統(tǒng)，使四條腿的機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)跳過(guò)不平整的地形。

一頭奔跑的獵豹沖過(guò)一片起伏的田野，跳過(guò)崎嶇不平的地形上突然出現(xiàn)的空隙。這種運(yùn)動(dòng)可能看起來(lái)毫不費(fèi)力，但讓機(jī)器人以這種方式移動(dòng)是一個(gè)完全不同的前景。近年來(lái)，受獵豹和其他動(dòng)物運(yùn)動(dòng)啟發(fā)的四腳機(jī)器人已經(jīng)取得了巨大的飛躍，然而，當(dāng)涉及到在海拔高度快速變化的景觀(guān)中行走時(shí)，它們?nèi)匀宦浜笥谒鼈兊牟溉閯?dòng)物同行。

MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）教授Pulkit Agrawal實(shí)驗(yàn)室的博士生Gabriel Margolis說(shuō)：

"在這些環(huán)境中，你需要使用視覺(jué)，以避免失敗。例如，如果你看不到它，就很難避免踩到一個(gè)缺口。雖然有一些現(xiàn)有的將視覺(jué)納入腿部運(yùn)動(dòng)的方法，但其中大多數(shù)并不真正適合用于新興的敏捷機(jī)器人系統(tǒng)。

現(xiàn)在，Margolis和他的合作者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)系統(tǒng)，可以提高腿部機(jī)器人跳過(guò)地形縫隙時(shí)的速度和敏捷性。這個(gè)新穎的控制系統(tǒng)分為兩部分--一部分處理來(lái)自安裝在機(jī)器人前面的視頻攝像頭的實(shí)時(shí)輸入，另一部分將該信息轉(zhuǎn)化為機(jī)器人應(yīng)該如何移動(dòng)其身體的指令。研究人員在麻省理工學(xué)院的迷你獵豹上測(cè)試了他們的系統(tǒng)，這是一個(gè)強(qiáng)大、敏捷的機(jī)器人，由機(jī)械工程教授Sangbae Kim的實(shí)驗(yàn)室建造。

從左到右：博士生陳濤和 Gabriel Margolis；Pulkit Agrawal，電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的 Steven G. 和 Renee Finn 職業(yè)發(fā)展助理教授；和博士生傅翔。

與其他控制四腳機(jī)器人的方法不同，這個(gè)由兩部分組成的系統(tǒng)不需要事先繪制地形圖，因此機(jī)器人可以去任何地方。在未來(lái)，這可以使機(jī)器人在執(zhí)行應(yīng)急任務(wù)時(shí)沖進(jìn)樹(shù)林，或爬上樓梯為閉門(mén)不出的老人送藥。

Margolis與資深作者Pulkit Agrawal（他是MIT Improbable AI實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人，也是電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的Steven G. and Renee Finn職業(yè)發(fā)展助理教授）、MIT機(jī)械工程系的Sangbae Kim教授以及MIT的研究生陳濤和傅翔共同撰寫(xiě)了這篇論文。其他共同作者包括亞利桑那州立大學(xué)的研究生Kartik Paigwar；以及馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的助理教授Donghyun Kim。這項(xiàng)工作將在下個(gè)月的機(jī)器人學(xué)習(xí)會(huì)議上發(fā)表。

一切都在控制之中

使用兩個(gè)獨(dú)立的控制器一起工作使這個(gè)系統(tǒng)特別具有創(chuàng)新性?？刂破魇且环N算法，它將把機(jī)器人的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為一套供其遵循的行動(dòng)。許多盲目的控制器--那些沒(méi)有納入視覺(jué)的控制器--是強(qiáng)大而有效的，但只能使機(jī)器人在連續(xù)的地形上行走。視覺(jué)是一個(gè)非常復(fù)雜的感官輸入，這些算法無(wú)法有效地處理它。納入視覺(jué)的系統(tǒng)通常依賴(lài)于地形的 "高度圖"，它必須預(yù)先構(gòu)建或在飛行中生成，這個(gè)過(guò)程通常很慢，而且如果高度圖不正確，就容易失敗。

為了開(kāi)發(fā)他們的系統(tǒng)，研究人員從這些穩(wěn)健、盲目的控制器中提取了最佳元素，并將它們與一個(gè)實(shí)時(shí)處理視覺(jué)的獨(dú)立模塊相結(jié)合。機(jī)器人的攝像頭捕捉即將到來(lái)的地形的深度圖像，這些圖像與關(guān)于機(jī)器人身體狀態(tài)（關(guān)節(jié)角度、身體方向等）的信息一起被反饋給一個(gè)高級(jí)控制器。高級(jí)控制器是一個(gè)從經(jīng)驗(yàn)中 "學(xué)習(xí) "的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出一個(gè)目標(biāo)軌跡，第二個(gè)控制器用它來(lái)為機(jī)器人的12個(gè)關(guān)節(jié)中的每一個(gè)提供扭力。這個(gè)低級(jí)別的控制器不是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而是依賴(lài)于一套描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)明物理方程。

Margolis說(shuō)：

"層次結(jié)構(gòu)，包括使用這種低級(jí)別的控制器，使我們能夠約束機(jī)器人的行為，使其更加乖巧。有了這個(gè)低級(jí)別的控制器，我們正在使用我們可以施加約束的明確的模型，這在基于學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)中通常是不可能的?！?/p>

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

研究人員使用被稱(chēng)為強(qiáng)化學(xué)習(xí)的試驗(yàn)和錯(cuò)誤方法來(lái)訓(xùn)練高級(jí)控制器。他們對(duì)機(jī)器人在數(shù)百個(gè)不同的不連續(xù)地形上運(yùn)行進(jìn)行了模擬，并對(duì)其成功穿越進(jìn)行了獎(jiǎng)勵(lì)。隨著時(shí)間的推移，該算法學(xué)會(huì)了哪些行動(dòng)能使獎(jiǎng)勵(lì)最大化。然后，他們用一組木板建立了一個(gè)物理的、有間隙的地形，并使用迷你獵豹對(duì)其控制方案進(jìn)行了測(cè)試。

Margolis說(shuō)：

"與一個(gè)由我們的一些合作者在麻省理工學(xué)院內(nèi)部設(shè)計(jì)的機(jī)器人一起工作肯定很有趣。迷你獵豹是一個(gè)很好的平臺(tái)，因?yàn)樗悄K化的，主要由你可以在網(wǎng)上訂購(gòu)的零件制成，所以如果我們想要一個(gè)新的電池或攝像頭，只需從普通的供應(yīng)商那里訂購(gòu)，并在Sangbae實(shí)驗(yàn)室的幫助下安裝就可以了。我們系統(tǒng)的一個(gè)新穎之處在于，它確實(shí)可以調(diào)整機(jī)器人的步態(tài)。如果一個(gè)人要躍過(guò)一個(gè)非常寬的缺口，他們可能一開(kāi)始就跑得非?？欤苑e累速度，然后他們可能把兩只腳放在一起，以非常有力的方式躍過(guò)這個(gè)缺口。以同樣的方式，我們的機(jī)器人可以調(diào)整其腳部接觸的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，以更好地穿越地形。"

在某些情況下，估計(jì)機(jī)器人的狀態(tài)被證明是一個(gè)挑戰(zhàn)。與模擬不同，真實(shí)世界的傳感器會(huì)遇到噪音，這些噪音會(huì)累積起來(lái)并影響結(jié)果。因此，對(duì)于一些涉及高精度腳部放置的實(shí)驗(yàn)，研究人員使用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)來(lái)測(cè)量機(jī)器人的真實(shí)位置。

他們的系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)于其他只使用一個(gè)控制器的系統(tǒng)，而且迷你獵豹成功穿越了90%的地形。

跳出實(shí)驗(yàn)室

雖然研究人員能夠證明他們的控制方案在實(shí)驗(yàn)室中是有效的，但他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中部署該系統(tǒng)之前仍有很長(zhǎng)的路要走，馬戈利斯說(shuō)。

在未來(lái)，他們希望在機(jī)器人上安裝一臺(tái)更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，以便它能在機(jī)上完成所有的計(jì)算。他們還想改進(jìn)機(jī)器人的狀態(tài)估計(jì)器，以消除對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的需求。此外，他們還想改進(jìn)低級(jí)控制器，使其能夠利用機(jī)器人的全部運(yùn)動(dòng)范圍，并加強(qiáng)高級(jí)控制器，使其在不同的照明條件下工作良好。

Kim說(shuō)：

"見(jiàn)證機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的靈活性，能夠繞過(guò)精心設(shè)計(jì)的中間過(guò)程（如狀態(tài)估計(jì)和軌跡規(guī)劃），這是非常了不起的，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)基于模型的技術(shù)一直依賴(lài)于此。"我對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的未來(lái)感到興奮，它具有更強(qiáng)大的視覺(jué)處理能力，專(zhuān)門(mén)為運(yùn)動(dòng)而訓(xùn)練。"