波士頓動(dòng)力機(jī)器人后空翻動(dòng)作背后的傳感器技術(shù)與動(dòng)力控制算法

　　近日，波士頓動(dòng)力發(fā)布了一段機(jī)器人后空翻的視頻。對(duì)此，東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)宋愛(ài)國(guó)，在接受媒體采訪時(shí)，通過(guò)對(duì)Atlas的動(dòng)作進(jìn)行技術(shù)分解，梳理了支撐它的背后的傳感器、動(dòng)力控制算法等技術(shù)。

　　一個(gè)后空翻動(dòng)作，最難的是哪一步?起跳、翻轉(zhuǎn)、落地，還是穩(wěn)住?

　　宋愛(ài)國(guó)說(shuō)，首先要有力量。他解釋稱(chēng)，想翻轉(zhuǎn)，跳起來(lái)了，但是力量不夠大，就不能給翻轉(zhuǎn)足夠的時(shí)間，也談不上動(dòng)態(tài)的調(diào)整，因此動(dòng)力是后空翻能夠完成的基礎(chǔ)。第三代Atlas并不是告別外接電源的第一代。資料顯示，波士頓動(dòng)力2016年推出的第二代Atlas就配備了內(nèi)置電池驅(qū)動(dòng)，不再需要外接電源獲取動(dòng)力。

　　瞬間給力會(huì)更大，就像人要調(diào)集自己肌肉內(nèi)部的ATP儲(chǔ)能一樣，翻轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的爆發(fā)力對(duì)電池的要求更高。宋愛(ài)國(guó)提醒，在關(guān)注傳感器、算法等人工智能研究的同時(shí)，也要關(guān)注動(dòng)力等基礎(chǔ)研發(fā)，機(jī)器人的研制是一個(gè)全鏈條的工作。在機(jī)器人的體內(nèi)會(huì)有姿態(tài)傳感器，也就是陀螺儀。

　　Atlas機(jī)器人在準(zhǔn)備起跳，資料圖

　　Atlas用到的傳感器與動(dòng)力控制算法

　　宋愛(ài)國(guó)說(shuō)，通過(guò)陀螺儀，它能知曉自己的空間方位。與生物判斷自己的方位和姿態(tài)不同，人類(lèi)的平衡感知集中在小腦部位。而機(jī)器人的平衡感知是分布式的，通過(guò)陀螺儀分布在它的軀干上。

　　宋愛(ài)國(guó)進(jìn)一步解釋說(shuō)，它一跳，腿部跟著擺動(dòng)上來(lái)，然后翻轉(zhuǎn)，整個(gè)身體的姿態(tài)也隨之調(diào)整。這其中便是姿態(tài)傳感器在起作用，姿態(tài)傳感器獲取了各部位的旋轉(zhuǎn)狀況，將信息傳遞到中央處理器，進(jìn)行控制決策。而且控制的實(shí)施要快，因此對(duì)算法的有效性要求很高。

　　決策的具體過(guò)程可分解為：將姿態(tài)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理，找到應(yīng)對(duì)策略，傳遞給不同部分，控制姿態(tài)，獲取平衡?？梢韵胍?jiàn)后空翻的所有計(jì)算要在“慢飛行”的情形下完成，因此控制算法優(yōu)化極考驗(yàn)功底。

　　據(jù)了解，目前很多學(xué)校都在拿這款機(jī)器人做硬件平臺(tái)，然后研究控制算法。有機(jī)器人領(lǐng)域的研究者介紹說(shuō)，波士頓動(dòng)力控制算法已成為院校的典型范例，被用作教材。甚至，連特斯拉CEO埃隆-馬斯克也在推特表示說(shuō)：“這沒(méi)什么，幾年后，這個(gè)機(jī)器人會(huì)移動(dòng)得太快，你需要一盞頻閃燈才能看到它。”

　　11月26日，埃隆馬斯克對(duì)有關(guān)Atlas機(jī)器人后空翻的消息發(fā)表推特評(píng)論。

　　Atlas機(jī)器人能夠完成后空翻動(dòng)作并落地，仰賴(lài)于傳感器及它的動(dòng)力控制算法。資料圖

　　Atlas的落地平衡控制

　　此外，落地的平衡控制是較難完成的環(huán)節(jié)。這一過(guò)程中，剛性接觸和柔性接觸分別要采用不同的模型，還要設(shè)計(jì)二者的兼容模型。宋愛(ài)國(guó)說(shuō)，為了給這個(gè)大家伙輸出足夠的動(dòng)力，也為了減少落地對(duì)它的緩沖，Atlas的腿部裝了液壓伺服器。兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)的桶狀裝置，裝在腿部，將剛性接觸轉(zhuǎn)化為柔性接觸。

　　宋愛(ài)國(guó)說(shuō)，目前的驅(qū)動(dòng)部件，有電機(jī)、有氣壓、有液壓，后兩種能夠降振減壓，它們不會(huì)因?yàn)樗查g沖擊力的增加而爆掉，而且輸出動(dòng)力也足。但是，在算法控制上，液壓伺服的數(shù)學(xué)模型是非線性的，力量不會(huì)隨著電壓的增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)，控制的精度會(huì)低一點(diǎn)，因此，機(jī)器人的腳部也會(huì)安裝多維力傳感器，來(lái)對(duì)腳步的受力狀態(tài)進(jìn)行輔助控制。

　　波士頓動(dòng)力公司，資料圖

　　關(guān)于波士頓動(dòng)力

　　據(jù)悉，關(guān)注Atlas的業(yè)內(nèi)人士，也很樂(lè)于八卦波士頓動(dòng)力公司的波折經(jīng)歷。它早期在軍方拿到了巨額的研究經(jīng)費(fèi)，后被谷歌收購(gòu)，之后又被谷歌賣(mài)給日本軟銀公司，支持經(jīng)費(fèi)是其中的重要因素之一。

　　有人在知乎爆料稱(chēng)，波士頓動(dòng)力特別有錢(qián)，認(rèn)識(shí)在該公司供職過(guò)的研究人員，得知波士頓動(dòng)力每周都要做機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，把機(jī)器人搞壞，然后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并改正，因?yàn)橛绣X(qián)、有經(jīng)驗(yàn)，所以他們一周之內(nèi)就能把機(jī)器人修好，下一周繼續(xù)做，全年無(wú)休。

　　可見(jiàn)，仿生機(jī)器人是個(gè)費(fèi)錢(qián)又費(fèi)工的研究。近年來(lái)，我國(guó)也在仿生機(jī)器人領(lǐng)域有了值得一提的研究。

　　國(guó)內(nèi)正在起步的機(jī)器人研究

　　今年4月，百度主辦的創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽上，南京大學(xué)、西南科技大學(xué)等聯(lián)合研發(fā)的“蜘蛛俠智能救援隊(duì)”亮相，能在復(fù)雜的路況中穩(wěn)定行走，相互溝通協(xié)作且簡(jiǎn)單自主運(yùn)動(dòng)。8月召開(kāi)的機(jī)器人大會(huì)上，由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研發(fā)的“數(shù)據(jù)機(jī)械手臂”，在人穿上帶有傳感器的手套后，機(jī)械手臂會(huì)“零延遲”同步響應(yīng)動(dòng)作。此外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、新松機(jī)器人公司等在四足機(jī)器人足球、7自由度協(xié)作機(jī)器人等方向都有相關(guān)研究進(jìn)展。

　　宋愛(ài)國(guó)介紹，在軍方相關(guān)部門(mén)有進(jìn)行四腿大狗的研究團(tuán)隊(duì)，山東大學(xué)有研究?jī)赏戎绷⑿凶叩膱F(tuán)隊(duì)，但與波士頓動(dòng)力相比，我國(guó)的機(jī)器人研制深度和水平還有較大差距。