一镜到底,看看波士顿动力的机器人家族到底有多「变态」

整理 | 王艺

今天刷屏的波士顿动力人形机器人视频不知道你看了没?没看的话请戳:

                     

看完视频小编也是惊呆了,难道机器人也学会跑酷了?

视频中的机器人名叫 Atlas,已经是这个系列中的第二代。Atlas 是一个人形机器人,能够识别面前障碍物的高度并精准跳跃,且落地平稳。不仅如此,它在跳跃的同时能够做到空中旋转,还能后空翻。等等!这是要进军体操界了?

其实,波士顿动力早在 2016 年 2 月就发布了 Atlas 一代,当时就引起了网络上不小的轰动,原因在于这款机器人超强的稳定性以及对物体的准确识别、抓取能力。下面我们看一下 Atlas 一代的视频:

                        

视频中的 Atlas 一代能够在雪地中健步如飞;若有人从面前大力推它,踉跄几步仍能站稳;若有人从后面大力推它,倒地之后还能自己爬起来;做起搬运工来也是有条不紊,能将货物快速、精准地放在货架上;就算在「手」持货物行进过程中,货物被击落,也会非常执着地将货物捡起来。视频的末尾我们看到,Atlas 一代还能开门自己遛弯儿,莫名的萌点有没有。

其实除了卖萌之外,稳定性优越的双足机器人在人类社会中有更重要的任务——代替人类进入危险地带。例如进入一个被污染的废弃核设施,或者需要爬上梯子搬运货物。这也是为什么科学家们下大力气研究双足机器人的原因,事实上,要制造一个双足机器人远比四足机器狗要困难得多(更别说今天发布的 Atlas 二代还能后空翻)。

加州大学伯克利分校的机器人学教授 Ken Goldberg 在当时表示,「当机器人遇到具有冲击力的突发事件(我们称之为『刺激』)时,对系统来说,做出快速的响应是非常困难的。」Atlas 一代的反应令人印象非常深刻,因为即使研究人员用力推它的胸部,也就是重心位置,他仍能自我调整并站稳。

机器之能找到了 Atlas 一代的一些技术资料。资料中,公司创始人 Marc Raibert 表示,波士顿动力机器人的关键在于可以通过快速移动、选择新的落脚点来实现动态平衡。



图左边是 Atlas 一代腿部的一个版本。右边则是波士顿动力「未来的愿景」:这只脚将采用 3D 打印,将所有的液压元件直接打印到其结构中。这只脚看上去有很多仿生元素,比如「类动脉式的液压管道布局」、看上去很像骨头的支架等。我们并没有看到这条腿的实物图片,但听上去波士顿动力已经造出来了一个。

除了 Atlas,也有一些机器人团队很好的解决了机器人平衡的问题。在 2015 DARPA 机器人挑战赛中,许多参赛团队的机器人使用了 Atlas,他们通过安装他们自己的软件并修改来让机器人保持平衡。来自 WPI-CMU 的阿特拉斯机器人 Warner 是诸多 Atlas 中唯一一个没有摔倒或需要重启的机器人。在决赛的两次尝试中,他们都成功走到最后,拿下八分中的七分。

这样优异表现的背后,是 CMU 机器人学院 Christopher Atkeson 教授组对稳定步态的研究成果,尤其是组里博士生冯思远的工作,冯思远在 3D 行走方面的论文曾在 13 年的仿人机器人国际会议 Humanoids 上获得过大会最佳论文(Best Paper)的荣誉。

Atlas 展示了双足机器人优秀的平衡能力,但总有一些极端情况会让它失去平衡,如何应对?那就让它们优雅的摔倒。伍斯特理工学院的 Matt DeDonato 指出:「大多数的(机器人挑战赛)参与者,都会关注机器人保持直立而不是关注找出更好的摔倒方式,尤其是当每次摔倒,都会有大量的时间惩罚」。

在与卡内基梅隆大学合作中,为了减小损坏,当检测到摔倒时,Matt DeDonato 的队伍操控的阿特拉斯机器人都会关掉自身的执行器,然后跛行前进。在整个 DAPRA 挑战中,DeDonato 的队伍保持着机器人始终站立。但是 DeDonato 指出:「随着机器人的商业化,需要研究这个领域,毕竟机器人总会有摔倒的时候」。

对此,波士顿动力创始人 Marc Raibert 指出:「当他的队伍开发一个四足机器人 BigDog 时,就开始思考怎样保护一个即将摔落的机器人。最初的想法是当检测摔倒时,让机器人的四肢失灵」。他说:「当四肢碰到地面时,四肢如同长的杠杆,力量会直接作用在连接处。我们的确摔坏过 BigDog 的一些腿,所以我们重新对 BigDog 编程。当出现摔倒时,就松动它四肢的连接处。我们现在做的机器人都会检测当他们失去平衡时,对应做出什么反应。」

佐治亚理工学院研究者们从人类摔倒的行为中总结出一种算法,让一个不平衡的机器人找出怎样扭曲它的身体,使得它能减小与地面的碰撞力。为了驱散摔倒的动力,这种算法会计算出机器人摔倒与地面产生的一系列接触点。他们用一个小的人形机器人 BioloidGP 来测试算法,用 Atlas 来模拟实战。研究成员 Karen Liu 表示,还会基于人类的条件反射给机器人建立一套类似的神经系统。

波士顿动力的机器人家族

波士顿动力是一家致力于机器人快速运动以及平衡能力研究的机器人公司,主要关注机器人的快速运动能力、负重能力和拟人行为。该公司在 1992 年从 MIT 剥离出来,自分离后便一直从事发军事项目的研发工作,并获得了 DARPA 的资助,为美国国防部、美国陆军部队、海军部队和海军陆战队提供军用机器人及相关技术咨询服务。产品最突出的特点是模拟人类行为,主要应用于国防任务测试和极端环境救援等领域。2013 年 12 月,公司被谷歌收购。除了今天我们看到的逆天的新一代 Atlas,波士顿动力还有其他几款仿生机器人。

1)大狗机器人(Big Dog)

Boston Dynamics 设计了大狗(Big Dog)机器人,这是一个四脚机器人,能够穿越泥地和雪地,以 5 英里/时的速度慢跑。它的体型与一只大狗或小驴差不多大,最初由 DARPA 提供研发资金。它的主要用途是在复杂地形中载重。大狗体内装有由发动机驱动的液压作动系统,四肢上装有特殊材料制成的减震器,每迈出一步的能量都能被有效循环至下一步,保证能源动力在长途跋涉中利用效率最高,其平衡力绝佳、能负载约 180 公斤武器装备翻山越岭、还能解读语言和视觉命令,因此,机器人大狗曾有望成为未来战场的利器。2010 年至今,这一由美国军方与波士顿动力合作研发的项目已经耗资 4200 万美元。



几年前,美军甚至声称将在阿富汗战场上测试和使用大狗机器人。却不想,去年的一场大型实地试验使「大狗」的缺点暴露无遗。「部队认为大狗太吵,会导致他们暴露目标。」美军陆战队作战实验室发言人欧尔森表示。此外,一旦发生故障,这款机器狗的维修十分困难,因此不适合投入实战部署,最终将其转入技术储备。

对此,波士顿动力创始人 Marc Raibert 回应到:「LS3 这个项目是为了验证多足机器人参加战斗的可行性,所以陆战队砍掉该项目并不代表机器大狗就夭折了。」

2)Spot

谷歌旗下的 Boston Dynamics 为美国海军陆战队开发了这个机器狗 Spot。它重达 160 磅(约 73 千克),用一个连在笔记本电脑上的游戏手柄来控制,操控半径可达 500 米。Spot 以电力驱动,相对安静。在此之前,波士顿动力发布的 Spot 机器狗也展现了出色的平衡能力,它重约 72.5 公斤,由电和液压装置驱动,能够行走、小跑、上楼梯,甚至被踢之后还能恢复姿势。



但其负载作用远低于大狗机器人,并不能在战场上使用。虽然无法在战场上使用,但 Spot 可以用来送圣诞礼物。2015 年圣诞节,波士顿动力用三只 Spot 扮演圣诞老人的驯鹿,拉着一个雪橇蹦蹦跳跳地走来了……

                         

圣诞节又要到啦,小编非常期待这样的大狗拉着的圣诞老人来送圣诞礼物。另外,前两天刷屏的 SpotMini 正是 Spot 系列的最新一代。

3)Petman

Petman 是 Boston Dynamics 开发的人形机器人,用于化学防护服的测试。Petman 可以模拟士兵在各种极端压力下可能做出的动作并以此测试防护服的耐用性,它同时可以根据人体生理学来控制调节防护服内的温度、湿度以及模拟人体出汗,从而达到更好的测试效果。


4)Cheetah

Cheetah 豹机器人是第一个能够自动奔跑和越过障碍物的四脚机器人。DARPA 为这个机器人的研发提供了资金,目前是全世界最快的机器人,时速能超过 29英里。


5)Handle

Handle 是波士顿动力的新型轮式直立机器人,发布于 2017 年 2 月。之所以名叫 Handle,是因为这款机器人设计的初衷是用来搬东西。



前文所述,Atlas 能在不平坦的道路上谨慎的行走,从而在理想状态下几乎能够探索地球上的任何环境。Handle 不一样,它只限用于平坦的路面,从而少障碍的向前滚动。而这种取舍使得 Handle 在工厂、仓库这样不需要担心碎石等障碍的环境中,能够更快、更高效的前行。

入门波士顿动力工程智能机器人
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