學(xué)會(huì)扶墻的機(jī)器人：沒(méi)有什么能讓我倒下
扶穩(wěn)墻，摔不倒
明敏 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI
人類(lèi)在走路不穩(wěn)或者對(duì)路況不熟悉的情況下，都會(huì)下意識(shí)地用手來(lái)扶住身邊的支撐物以保持平衡。但對(duì)于雙足機(jī)器人而言，這種技能才剛剛被解鎖。
近日，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的LOLA雙足步行機(jī)器人又一次升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了依靠上肢輔助的多觸點(diǎn)移動(dòng)（multi-contact locomotion）。
簡(jiǎn)而言之就是，雙足機(jī)器人走路更像人類(lèi)了。
比如，扶住墻壁“小心翼翼”地通過(guò)崎嶇不平的路面。
在遇到“陷阱”時(shí)，立刻用手臂扶住墻壁站穩(wěn)。
支撐住穩(wěn)定的物體便不會(huì)被輕易推倒
在前進(jìn)中順勢(shì)扶一下桌子穩(wěn)定身體
△像不像閃了腰的你（不是）
LOLA機(jī)器人進(jìn)化史
其實(shí)早在2019年，LOLA機(jī)器人就實(shí)現(xiàn)了自主行走。
今年3月，它又實(shí)現(xiàn)了在不平整地面上自主行走，應(yīng)對(duì)突發(fā)情況時(shí)還可快速做出反應(yīng)。
這樣看，扶墻前行似乎有些畫(huà)蛇添足？
顯然不是。在實(shí)際行走過(guò)程中，即便是人類(lèi)也無(wú)法預(yù)判所有突發(fā)情況，當(dāng)我們對(duì)前方路段判斷失誤時(shí)，就會(huì)需要上肢來(lái)輔助支撐身體保持平衡。如果沒(méi)有上肢的輔助，那只有一個(gè)結(jié)果——摔個(gè)狗啃屎。
這就是為什么要使用多點(diǎn)支撐移動(dòng)，對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)這是一項(xiàng)非常有用的技能，于機(jī)器人而言亦是如此。
機(jī)器人扶墻，真的很難
越是有用的技能，往往難度越大。
想要雙足機(jī)器人手臂扶墻移動(dòng)還保持平衡，并不是看上去那么簡(jiǎn)單。因?yàn)檫@種情況下，機(jī)器人自身形成了超靜定結(jié)構(gòu)，在完成手臂扶墻后的瞬間，機(jī)體的受力結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，想要繼續(xù)保持平衡，便需要重新核算。
對(duì)此，研發(fā)人員首先對(duì)LOLA機(jī)器人的硬件進(jìn)行了升級(jí)。
此前，LOLA機(jī)器人的雙臂主要是用來(lái)彌補(bǔ)快速行走時(shí)雙腳的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。軀干設(shè)計(jì)相較簡(jiǎn)單，并不能承受在多觸點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中由上臂“扶墻”帶來(lái)的負(fù)荷。
為此，在這次升級(jí)中，科學(xué)家們重新設(shè)計(jì)了LOLA的上半身：從骨盆開(kāi)始提高軀干的強(qiáng)度，對(duì)關(guān)鍵元件減輕重量并提高硬度，調(diào)整手臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及連桿長(zhǎng)度以達(dá)到更多的工作空間。
軟件方面，LOLA采用了層次性架構(gòu)。
在最高層次上，視覺(jué)系統(tǒng)先生成一個(gè)環(huán)境模型，并估計(jì)場(chǎng)景中機(jī)器人的6D姿態(tài)。然后，行走模式生成器使用這些信息來(lái)規(guī)劃一個(gè)動(dòng)態(tài)模型，引導(dǎo)LOLA到預(yù)定的目標(biāo)位置。
在較低層次上，穩(wěn)定模塊來(lái)進(jìn)一步完善這個(gè)環(huán)節(jié)，以補(bǔ)償模型或其他因素產(chǎn)生的誤差，并保持整體的平衡。
長(zhǎng)期目標(biāo)
研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，LOLA機(jī)器人的一個(gè)長(zhǎng)期科學(xué)目標(biāo)是為了了解人類(lèi)行走的必要元素和控制機(jī)制，它的腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和人體非常相似。
“我們與運(yùn)動(dòng)技能學(xué)的科學(xué)家們一起，試圖找出目前為止人類(lèi)步態(tài)行動(dòng)與LOLA步態(tài)行動(dòng)之間的異同。“
研發(fā)團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)這項(xiàng)研究，一方面能為直立行走的控制機(jī)制提供新思路，另一方面能證明目前對(duì)人類(lèi)步態(tài)的生物力學(xué)模型的理解是否正確。
雖然研究人員認(rèn)為，雙足機(jī)器人用雙臂來(lái)輔助直立步態(tài)是非常合理的，但是展望未來(lái)，他們更期待雙足機(jī)器人如何利用它們的四肢以非人類(lèi)的方式移動(dòng)。
參考鏈接：
[1]
https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/bipedal-robot-learning-to-move-arms-legs
[2]
https://www.mw.tum.de/en/am/research/current-projects/robotics/humanoid-robot-lola/
— 完 —
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