酷!乔治亚理工研发出模仿人类步态的机器人

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图片来源:AMBER实验室/佐治亚理工学院

在去年的 DARPA 机器人挑战赛( DRC)决赛上,SRI 的机器人 DURUS 仅靠一块电池缓慢而平稳地走了两公里,耗时超过两个半小时。这项成就意义重大:DARPA 已经认识到原始版本的 ATLAS 实现起来是极其困难的(至少在移动( locomotion)方面),所以他们赞助了两个不同的团队,一个来自 SRI,另一个来自 Sandia,让他们设计出行走效率高 20 倍以上的类人机器人。SRI 的 DURUS 已离这个目标非常接近了,通过硬件软件,特别是步态控制(gait control)的创新结合,它实现了仅有 1.5 的传送成本(cost of transport)。

Aaron Ames 教授的工作就是陪这个机器人「玩耍」,他去年大部分时间都用在了把他的先进机械二足试验机器人实验室从德克萨斯农工大学搬到佐治亚理工学院上了。所以自从 DRC 以后我们还没有听说任何有关 DURUS 的重要进展。

听起来他们已经在几个月前安顿了下来,并开始了研究进程,而他们现在已经准备好展示一项新的重要成果了:DURUS 现在可以几乎像人类一样行走了,而且还是穿着正常的(而且时髦的)人类鞋子。

你也许还记得在 DRC 决赛上,我们问过 Ames 他接下来准备给 DURUS 添加什么样的新能力。排在他清单最上面的(就在「更好更好更好」和「更快更快更快」之后)就是更自然的足部行为,包括像人类一样的脚后跟和脚尖的连接方式。看看他们是怎么炫耀的吧:

视频后面一前一后的对比让我们看到 DURUS 的步态与正常人类的走路姿态有多么相近。我们见过的能像这样走路的其它类人机器人也就只有波士顿动力(Boston Dynamics)的 PETMAN 了:

不错嘛,但还存在为 PETMAN 提供外接能源的相当显眼的脐带的一些小问题。它能提供非常充足的外接能源。比 DURUS 移动所耗费的能量还要高一个数量级。公平地说,PETMAN 并没有被设计成高效的,它也能做很多 DURUS 做不到的技巧动作,比如抵抗外界的推搡,而且它还有胳膊和头部。佐治亚理工学院的 Aaron Ames 说:「我们把 DURUS 的同样的基础技术转移到了假肢和外骨骼上,可以给那些行动不便的人提供自然和有效的运动能力。」

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DURUS 还有更好的鞋子,而且它能不依靠任何外加约束地运行更长的周期的这个事实意义非常重大。如果我们希望机器人能在实验室之外为我们做一些实际的事情,它们就必须具备在有效时间内独立运行的能力。

DURUS 被拴起来是为了安全,而不是为了能量输入。它行走的传送成本(cost of transport)为 1.4,已经比我们在 DRC 决赛上看到的 1.5 低了,这要归功于新的类人步态(human-like gait)。Ames 说:「人类走路最关键的特点就是每走一步足部的转动方式;即脚尖先推进,然后脚后跟着地。」绝大部分类人机器人,即使像ATLAS、ASIMO、HUBO 和 HRP 这种高端型的,都没有尝试去模仿这种步态。它们走路用的是又大又平的脚掌,通过与地面的大面积接触提供最大化的稳定性,采用的是奇怪的非常机器人化的半蹲姿势,这是为了让重心尽可能地位于它们巨大的脚掌之上,否则就很容易翻到。

佐治亚理工学院的 DURUS 的独特之处在于他们的开发建立在一个广义的数学框架上,不需要任何约束条件和假设,比如平板大脚提供的静态稳定性。摆脱了这些限制,你就可以简单地把你自己的要求加到这个框架上,比如类人的后跟-脚尖步态,然后机器人就会把它实现。这就让 DURUS 具备了更灵活并且看起来更自然的步态,从而同时大大提高了速度和效率,Ames 解释说:

「在很多方面,这些结果都是我们在 DRC 公布的技术的自然延伸。数学框架还是一样的,但是我们给他扩展出了更先进的行为。而且我们也有了对如何稳定这种更灵活和复杂步态的更多理解(数学上和实践上的都有);比如,现在的走路速度是在 DRC 上展示时的两倍,这要求所有方面都达到更高的水平。但说到底,我们用的是同样的数学框架,这个事实说明了这种方法的可扩展性。」

DURUS 的高效是软件和硬件结合的结果。在硬件方面,它们有强壮的踝关节弹簧,用来在每一步储存并释放能量,并且在地面上推进时,它的设计也能让脚部移动更顺畅。然而在基础层面上说,这些也只是可以被数学框架在驱动机器人运动时所利用的元素,这意味着你可以用同样的框架控制硬件不同的机器人。而且根据 Ames 的解释,还不仅仅是像 DURUS 这样的类人机器人:

「这个项目的一个特别目标就是开发出一个通用的控制范式,可以用于类人机器人,同时也可以用到假肢和外骨骼上。这同样也会促进类人机器人的类人步态的发展。DURUS 用的技术可以移植到假肢和外骨骼上,让行动不便的人获得自然且高效的运动能力。」

AMBER 实验室的研发得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的国家机器人基金的赞助。

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同时 DURUS 将会继续忙于学习新的动态行为,Ames 告诉我们:

「类人机器人表现出的步态自然的类人行走能力只是这个框架潜能的一个展现。我们计划可以得到更先进的行为——比如奔跑。但要实现这一点,我们必须能应付未知的起伏不平的地形、阶梯、以及其它复杂的状况。这全部都是我们未来要做的工作,而且也是机器人向野外进发的必备技能。」

DURUS 的平面运动(束缚的)版本已经展现出了的类人的奔跑行为,我们已经等不及要在无支撑的机器人身上实现这种能力了。而且这真的是关键——使用 AMBER 实验室正在开发的统一的控制和设计框架,你可以用不同的硬件产生不同的行为,这会让我们开发各种各样的机器人变得更实际——从大型行走机器人到更低层次一点的身体辅助外骨骼和假肢系统。DURUS 的工作就是通过探索更稳健的移动和种类更多的步行姿态的来促进这一开发过程,根据 Ames 的说法:「这是搞清楚如何实现类人机器人在我们中间自如行走这一宏伟图景的第一步。」

入门人形机器人工程DURUS佐治亚理工学院