麻省理工大學(xué)研發(fā)的第三代獵豹機(jī)器人（Cheetah 3）現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)跳躍、在崎嶇的地形馳騁、或爬上堆滿雜物的樓梯，并在遇到突然的猛拉、推搡時(shí)能迅速恢復(fù)其平衡。
令人驚訝的是，它實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作靠的不是視覺系統(tǒng)，它可以說是一個(gè)盲人機(jī)器豹。
Cheetah 3卓越的平衡性讓它就是推不倒
當(dāng)然也拉不倒
這只大小相似成年拉布拉多犬的90磅重的機(jī)械野獸，是故意被設(shè)計(jì)成不依賴相機(jī)或任何外部環(huán)境傳感器而完成這些動(dòng)作的。取而代之的是，它通過敏捷地“感覺”周圍環(huán)境的方式來行動(dòng)，工程師們稱之為“盲目運(yùn)動(dòng)”，就像穿過一個(gè)漆黑的房間一樣。
麻省理工大學(xué)機(jī)械工程系副教授Sangbae Kim說：“機(jī)器人在不過度依賴視覺的情況下，應(yīng)該有很多意想不到的行為。”，“視覺可能是繁雜的，有些不準(zhǔn)確的，有時(shí)甚至是不可用的，如果你過于依賴視覺，你的機(jī)器人對(duì)于位置的判斷必須非常準(zhǔn)確，這最終將導(dǎo)致它的行為必是緩慢的。所以我們希望機(jī)器人更多地依靠觸覺信息。這樣，它可以在快速移動(dòng)時(shí)處理意想不到的障礙。”
不依靠視覺爬樓梯，純靠算法維持平衡
研究人員將于十月在馬德里召開的智能機(jī)器人國(guó)際會(huì)議上展示機(jī)器人的無視覺能力。除了盲目運(yùn)動(dòng)之外，團(tuán)隊(duì)還將展示機(jī)器人改進(jìn)后的硬件，包括與它的前輩獵豹2機(jī)器人做對(duì)比。在一個(gè)擴(kuò)大的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，它允許機(jī)器人向后和向前伸展，并且從一邊扭動(dòng)到另一邊，就像貓蜷縮起來準(zhǔn)備猛撲一樣。
在未來幾年內(nèi)，Kim設(shè)想將讓機(jī)器人執(zhí)行那些危險(xiǎn)系數(shù)很高的、人類無法承擔(dān)的任務(wù)。
Kim表示：“Cheetah 3被設(shè)計(jì)來完成多方面的任務(wù)，如電廠檢查，這涉及到各種地形條件，包括樓梯、路障和地面上的障礙物。我認(rèn)為有無數(shù)的場(chǎng)合我們想讓機(jī)器人代替人類來完成簡(jiǎn)單的任務(wù)。危險(xiǎn)、骯臟和困難的工作也可以通過遙控機(jī)器人更安全地進(jìn)行。”
Cheetah 3三只腳就能保持平衡
Cheetah 3可以不靠視覺地爬上樓梯以及通過非結(jié)構(gòu)化地形，并能在面對(duì)巨大力量的時(shí)候迅速恢復(fù)其平衡，這都得益于由Kim團(tuán)隊(duì)開發(fā)的兩個(gè)新算法：接觸檢測(cè)算法和模型預(yù)測(cè)控制算法。
接觸檢測(cè)算法有助于機(jī)器人確定它的腿從空中擺動(dòng)到踏到地上的最佳時(shí)間。例如，如果機(jī)器人踩在一根細(xì)枝上，而不是一塊堅(jiān)硬的石頭上，它是如何反應(yīng)的，以及它是如何繼續(xù)前進(jìn)的。
Kim表示：“當(dāng)涉及到從空中切換到地面時(shí)，切換必須做得很好。這個(gè)算法的意義是‘什么時(shí)候才是我腳落地的安全時(shí)間？’”
接觸檢測(cè)算法幫助機(jī)器人確定在擺動(dòng)和步幅之間轉(zhuǎn)換腿的最佳時(shí)間，通過不斷計(jì)算每個(gè)腿的三個(gè)概率：腿與地面接觸的概率，腿部撞到地上產(chǎn)生的力的概率和腿在中轉(zhuǎn)時(shí)的概率。該算法基于陀螺儀、加速度計(jì)和腿的關(guān)節(jié)位置的數(shù)據(jù)來計(jì)算這些概率，記錄腿相對(duì)于地面的角度和高度。
例如，如果機(jī)器人意外踩到木塊上，它的身體會(huì)突然傾斜，它的角度和高度也會(huì)偏移。該數(shù)據(jù)會(huì)立即被輸入進(jìn)去并計(jì)算每條腿的三個(gè)概率，該算法將評(píng)估出每個(gè)腿是否應(yīng)該落地，或者抬起和擺動(dòng)以此來保持其平衡——盡管機(jī)器人實(shí)際上是看不見的。
Kim表示：“如果人類閉上眼睛邁出一步，我們會(huì)有一個(gè)心理模型來預(yù)測(cè)可能的位置，并為之做好準(zhǔn)備。但我們會(huì)恐懼于那種未觸地的那種感覺，因此我們通過組合多個(gè)信息來源來確定過渡時(shí)間，機(jī)器人也可以做同樣的事情。”
研究人員在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了這一算法，Cheetah 3在實(shí)驗(yàn)室跑步機(jī)上小跑并爬上樓梯。當(dāng)然這兩個(gè)地方都被研究人員擺滿了亂七八糟的東西，比如木塊和卷尺。
Kim說：“它不知道每一步的高度，也不知道樓梯上有障礙物，它只是在不失去平衡的情況下通過。”，“沒有這種算法，機(jī)器人會(huì)非常不穩(wěn)定，并且很容易掉落。”
機(jī)器人的盲目運(yùn)動(dòng)一部分也得益于模型預(yù)測(cè)控制算法，它會(huì)預(yù)測(cè)一旦給定一個(gè)行為步驟，它應(yīng)該施加多少力。
Kim說：“接觸檢測(cè)算法會(huì)告訴你‘現(xiàn)在是在地面施加力量的時(shí)候了’，但是一旦你到地面上了，就需要來計(jì)算用什么樣的力量才能以正確的方式移動(dòng)身體。”，“假設(shè)有人側(cè)身踢機(jī)器人。”，“當(dāng)腳已經(jīng)在地上時(shí)，算法決定‘我應(yīng)該如何使用腳上的力？因?yàn)槲易筮呌幸粋€(gè)不希望達(dá)到的速度，所以我想在相反的方向施加一個(gè)力來殺死那個(gè)速度。如果我在這個(gè)相反的方向上應(yīng)用100牛頓，那么半秒鐘后會(huì)發(fā)生什么？’“
該算法被設(shè)計(jì)為每條腿每50毫秒或每秒20次進(jìn)行這些計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)不管是在跑步機(jī)上踩踏機(jī)器人還是在它爬上有障礙物的樓梯時(shí)用皮帶猛推，模型預(yù)測(cè)算法都使機(jī)器人能夠快速產(chǎn)生反作用力來恢復(fù)平衡并繼續(xù)向前移動(dòng)，而不會(huì)向相反方向傾斜太遠(yuǎn)。
Kim表示：“這得益于預(yù)測(cè)控制，可以將正確的力量應(yīng)用到地面上，結(jié)合這種接觸過渡算法，使每個(gè)接觸變得非常快速和安全。”
該小組已經(jīng)向機(jī)器人添加了攝像頭，使機(jī)器人能夠?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行視覺反饋。該小組正在努力進(jìn)一步改善機(jī)器人的盲動(dòng)。
Kim說：“我們需要一個(gè)非常好的沒有視覺的控制器。”，“當(dāng)我們?cè)黾右曈X，即使它可能給你錯(cuò)誤的信息，腿應(yīng)該也能夠處理遇到的障礙。因?yàn)槿绻鹊较鄼C(jī)看不到的東西怎么辦？它會(huì)做什么？這就是盲動(dòng)可以幫助的地方。”
這項(xiàng)研究在一定程度上得到了納弗、豐田研究所、富士康和空軍科研辦公室的支持。
