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| 本文作者： 栗向?yàn)I | 2016-06-12 20:59 |
今年8月，雷鋒網(wǎng)將在深圳舉辦一場(chǎng)盛況空前有全球影響力的人工智能與機(jī)器人創(chuàng)新大會(huì)。屆時(shí)雷鋒網(wǎng)(搜索“雷鋒網(wǎng)”公眾號(hào)關(guān)注)將發(fā)布“人工智能&機(jī)器人Top25創(chuàng)新企業(yè)榜”榜單。目前，我們正在拜訪人工智能、機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)公司，從中篩選最終入選榜單的公司名單。如果你也想加入我們的榜單之中，請(qǐng)聯(lián)系：2020@leiphone.com。
雷鋒網(wǎng)按：本文作者栗向?yàn)I，中科院自動(dòng)化所復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生，主攻機(jī)器人與人工智能。
2016年3月18日彭博商業(yè)周刊爆出了一條新聞，谷歌母公司Alphabet計(jì)劃放棄機(jī)器人計(jì)劃，并出售收購(gòu)不到3年的有足機(jī)器人制造商Boston Dynamics。
就在一個(gè)月之前2月23日，波士頓動(dòng)力公司在YouTube上發(fā)布了一段關(guān)于公司新成果的一段視頻，這段視頻現(xiàn)在已經(jīng)擁有了上億次的點(diǎn)擊量，在世界各地都引起了很大的關(guān)注度。
5月28日，Tech Insider報(bào)道稱豐田對(duì)波士頓動(dòng)力的收購(gòu)“已進(jìn)入尾聲”，并且有波士頓動(dòng)力員工稱這是一次“友好的收購(gòu)”。雖然對(duì)于波士頓動(dòng)力的出售與收購(gòu)原因都眾說紛紜，但是在這些原因里面均透露出了一絲絲對(duì)多足機(jī)器人無(wú)奈的意味，而這絲無(wú)奈正如我在文章《Google為何要放棄逆天的Atlas機(jī)器人？波士頓動(dòng)力與谷歌背后的故事》中最后提到的——
“多足機(jī)器人的困境也許才剛剛開始”。
（波士頓動(dòng)力多足機(jī)器人展示 ）
所以這篇文章，我將闡述一下為什么多足機(jī)器人的路越走越難。
機(jī)器人是個(gè)構(gòu)成十分復(fù)雜的智能體，他的組成部分包括動(dòng)力模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感部分、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、環(huán)境互動(dòng)與導(dǎo)航、人機(jī)交互等很多方面。而我們今天講的多足機(jī)器人，主要的研究環(huán)節(jié)就是他的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以首先我們先來(lái)看看機(jī)器人到底有哪些運(yùn)動(dòng)方式。
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式可以分為輪式、足式、蛇形、爬行、飛行、游動(dòng)等，陸上的運(yùn)動(dòng)方式為輪式、足式、蛇形、爬行，其中以輪式與足式為主，空中與水中的運(yùn)動(dòng)方式分別為飛行與游動(dòng)。
我們先來(lái)說說輪式運(yùn)動(dòng)有哪幾種類型。先列舉一下：四輪、兩輪平衡、獨(dú)輪平衡、球面輪、六輪和履帶。
（NASA的雙輪平衡機(jī)器人Robonaut ）
對(duì)于大多數(shù)的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說，運(yùn)動(dòng)方式基本上均采用輪式，其中以四輪和履帶最為常見，因?yàn)檫@兩種方式既簡(jiǎn)約又穩(wěn)定性高。除此之外還有兩輪平衡機(jī)器人，兩輪平衡機(jī)器人通常使用陀螺儀來(lái)檢測(cè)機(jī)器人偏倒了多少，然后驅(qū)動(dòng)輪子在相同的方向同等比例的運(yùn)動(dòng)，這種對(duì)偏倒的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)每秒鐘會(huì)運(yùn)行幾百次，原理同倒立擺的動(dòng)態(tài)平衡。我們?nèi)粘Ｔ诖蠼稚峡吹降膬奢嗠妱?dòng)車雖然不是機(jī)器人，但是其平衡原理與兩輪機(jī)器人類似。
（卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Ralph Hollis教授開發(fā)的獨(dú)輪機(jī)器人Ballbot ）
獨(dú)輪平衡機(jī)器人是兩輪平衡機(jī)器人的拓展形式，它可以將一個(gè)球狀輪作為獨(dú)輪在二維平面的任意方形運(yùn)動(dòng)。采用獨(dú)輪平衡的機(jī)器人有美國(guó)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University) Ralph Hollis教授開發(fā)的Ballbot機(jī)器人以及日本的東北學(xué)院大學(xué)(Tohoku Gakuin University) Masaaki Kumagai教授開發(fā)的BallIP機(jī)器人。由于只有一個(gè)輪子，所以高度要高一些，但是占地面積要小很多，所以相比于其他機(jī)器人來(lái)說更適合在狹窄的空間里運(yùn)動(dòng)。
（日本的東北學(xué)院大學(xué)Masaaki Kumagai教授開發(fā)的獨(dú)輪機(jī)器人BallIP ）
球面輪機(jī)器人是將機(jī)器人的本體裝在球面里面，或者旋轉(zhuǎn)球面內(nèi)的配重塊，或者轉(zhuǎn)動(dòng)球面外殼來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
（球狀輪造型 via：wikipedia.org）
六輪機(jī)器人相比四輪驅(qū)動(dòng)，會(huì)提供更大的牽引力，更適合在戶外運(yùn)動(dòng)，例如巖石和草叢環(huán)境。
履帶機(jī)器人相比六輪機(jī)器人會(huì)提供更大的牽引力，履帶的結(jié)構(gòu)會(huì)使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來(lái)如同加上了更多的小輪子，對(duì)于戶外和軍用機(jī)器人尤為常見，特別適合崎嶇的地形。但是缺點(diǎn)是對(duì)于室內(nèi)光滑地板環(huán)境比較難以使用。履帶機(jī)器人比較典型的例子是NASA的城市機(jī)器人Urbie。
（履帶機(jī)器人 via：tiaozhanbei.net）
大致介紹完輪式機(jī)器人，就要介紹我們這篇文章的主角——足式機(jī)器人。
通過對(duì)以上輪式機(jī)器人的介紹我們可以發(fā)現(xiàn)，輪式機(jī)器人十分好操控，只要對(duì)兩到六個(gè)輪子加上電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既可以使得機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而且隨著輪子數(shù)目的增加，牽引力也會(huì)增加，而且也比較適應(yīng)崎嶇以及不平坦的路面環(huán)境。
但是對(duì)于足式運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，情況就復(fù)雜得多了。
一般的仿人機(jī)器人會(huì)采用雙足式，但是這些機(jī)器人行走的可靠性沒有一個(gè)強(qiáng)于人類。對(duì)于雙足機(jī)器人平衡控制的問題也一直是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但是遺憾的是，沒有一種控制方法是和人的平衡方法一樣的。
在這里我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的事情，仿人機(jī)器人的研究，我們主要是仿照人類并且企圖通過模仿人類的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)特性，但是我們只是建造了一個(gè)和人的外形有些相似的機(jī)器人，控制方法卻和人類的一點(diǎn)都不一樣。
而且更遺憾的是，我們既沒有研究明白人類是怎么達(dá)到如此優(yōu)良的雙足平衡特性，我們使用的方法也沒有超過人類這種優(yōu)良的平衡特性，甚是我們現(xiàn)在的雙足機(jī)器人基本上都不能在崎嶇不平的路上行走，雖然我們看到Atlas在不平坦路面上行走的視頻，但是這段視頻也許真的只是走得非常好的一次了。這個(gè)本身就是雙足機(jī)器人研究十分尷尬的境地。既然雙足的魯棒性這么不好，我們可以采用四足或者多足以實(shí)現(xiàn)更好的平衡，而且也免去了不少需要實(shí)現(xiàn)平衡而使用的控制算法。
（Atlas在DARPA挑戰(zhàn)賽上 via：theroboticschallenge.org）
雖然多足免去了不少平衡上的問題，而且多足適應(yīng)崎嶇的地形，可跨越障礙，并且具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，這些都是足式運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于非足式運(yùn)動(dòng)，似乎也可以通過改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)；而且對(duì)于雙足以及多足，足式運(yùn)動(dòng)本身也會(huì)存在不少的問題。
我們先來(lái)看看現(xiàn)在的足式機(jī)器人都采用哪些平衡控制方法。
足式機(jī)器人的平衡控制方法
1、零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法
（零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法原理圖 cilab.csie.ncu.edu.tw）
零力矩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法：沿足底分布的負(fù)載具有相同的符號(hào)（方向），它們等效于一個(gè)合力R，其作用點(diǎn)在足底的范圍內(nèi)。合力R所通過的在足底上的這個(gè)作用點(diǎn)，稱為零力矩點(diǎn)（zero moment point），簡(jiǎn)稱ZMP。
Vukobratovic于1968年提出ZMP這個(gè)概念，到了80年代早稻田的加藤一郎實(shí)驗(yàn)室(Ichiro Kato's laboratory at Waseda University)制作了一系列的WL機(jī)器人，這些雙足機(jī)器人是最早將此概念實(shí)際應(yīng)用到動(dòng)態(tài)平衡的雙足步行。
有名的例子，像是Honda的Asimo就是利用ZMP的相關(guān)理論來(lái)達(dá)到雙足機(jī)器人的步行和平衡。那ZMP有什么用呢？如果ZMP落在腳掌的范圍里面，則機(jī)器人可以穩(wěn)定地行走。
（Asimo機(jī)器人 tech.sina.com.cn）
但是，這種方法并不是我們?nèi)祟惖男凶咴恚椅覀兛催@樣的機(jī)器人走路也感到很是別扭，有些人開玩笑說，Asimo走路的時(shí)候就像內(nèi)急要去廁所。而且這樣的平衡方法，也只能應(yīng)用到平坦路面上的行走。
2、跳躍平衡
（三維獨(dú)腿跳躍機(jī)器人 via：www.ai.mit.edu）
跳躍平衡：最早是來(lái)自MIT Leg Laboratory的Marc Raibert于上世紀(jì)八十年成功實(shí)現(xiàn)的，看過我寫的《Google為何要放棄逆天的Atlas機(jī)器人？波士頓動(dòng)力與谷歌背后的故事》文章的人，一定對(duì)Marc Raibert這個(gè)人不陌生，沒錯(cuò)，他就是波士頓動(dòng)力的創(chuàng)始人，并且現(xiàn)在仍是波士頓動(dòng)力現(xiàn)任總裁兼項(xiàng)目經(jīng)理。他最初設(shè)計(jì)的跳躍平衡機(jī)器人只有一條腿，可以通過一直蹦蹦跳跳實(shí)現(xiàn)豎直不倒，那個(gè)感覺就像我們小時(shí)候玩的彈簧單高蹺。當(dāng)機(jī)器人向一側(cè)倒的時(shí)候，機(jī)器人的腿就向倒的那側(cè)著步，接住自己。后來(lái)，單足又發(fā)展為兩足和四足，也開始能完成一些較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，例如小跑、大步跑、翻跟頭什么的。
3、動(dòng)態(tài)平衡算法
動(dòng)態(tài)平衡算法相比零力矩點(diǎn)方法更加魯棒一些，它的思路就是時(shí)刻檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，然后判斷機(jī)器人的腳應(yīng)該放到哪里。人們可能奇怪這種方法和跳躍平衡有什么區(qū)別，其中的區(qū)別主要是跳躍平衡是一種動(dòng)平衡，就像沒有支架的自行車，必須騎起來(lái)才能平衡，但是動(dòng)態(tài)平衡算法可以使得機(jī)器人穩(wěn)定地站在那里。
（Anybots公司的雙足機(jī)器人Dexter。可以跳躍離開地面11英寸 via：youtube.com）
4、被動(dòng)動(dòng)力行走
被動(dòng)動(dòng)力行走是指機(jī)器人可以完全不用驅(qū)動(dòng)，也完全不用控制僅依靠勢(shì)能作為能量輸入就可以實(shí)現(xiàn)沿斜坡向下地穩(wěn)定行走。
（被動(dòng)動(dòng)力行走原理示意圖 via：www.robotway.com）
因?yàn)槿祟愒谛凶哌^程中擺動(dòng)腿的驅(qū)動(dòng)能量并非完全來(lái)源于肌肉做功，而是有一部分來(lái)源于重力做功，這與單擺的運(yùn)動(dòng)非常相似。對(duì)人類行走時(shí)腿部肌電信號(hào)的實(shí)驗(yàn)研究表明，人類行走時(shí)大部分時(shí)間腿部肌肉的活動(dòng)強(qiáng)度是很小的，這說明自身重力及慣性是決定其運(yùn)動(dòng)特性的重要參數(shù)，而被動(dòng)動(dòng)力行走完全依賴于自身重力及慣性，這為被動(dòng)行走提供了仿生學(xué)依據(jù)。但是這種控制存在很大的局限性，因?yàn)闄C(jī)器人需要利用重力進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，那么它的運(yùn)動(dòng)方式就會(huì)受到很大的限制，那過程就像一個(gè)餓得一點(diǎn)力氣的人沿著下坡路被重力帶著走。
所以介紹完以上目前足式機(jī)器人用的平衡以及運(yùn)動(dòng)控制算法來(lái)說，并沒有一個(gè)很好的解決辦法，它們的行走方式并沒有達(dá)到我們預(yù)期所期待的優(yōu)越的魯棒效果，而且對(duì)于足式固有的越障等能力，越來(lái)越多的其他運(yùn)動(dòng)方式也逐漸可以完成，所以這種優(yōu)越性也開始漸漸地消失。
除此之外，足式運(yùn)動(dòng)還有很多設(shè)計(jì)難度和功耗等的問題。
足式運(yùn)動(dòng)存在的問題：設(shè)計(jì)難度和功耗大等
（一種機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 via：csstoday.net）
在組成四足行走機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中，腿部機(jī)構(gòu)是最重要的機(jī)構(gòu)。如果腿部機(jī)構(gòu)選擇得當(dāng)，不僅可以使機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便，還可以簡(jiǎn)化控制方案。但是目前的足式機(jī)器人大多采用基于零力矩點(diǎn)的軌跡規(guī)劃方法。機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，使得該類機(jī)器人體積和質(zhì)量大，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜，效率很低，不適于長(zhǎng)時(shí)間和長(zhǎng)距離的野外作業(yè)。而且人類的關(guān)節(jié)是一個(gè)很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，目前僅僅依靠電機(jī)去模擬，得到的效果自然十分尷尬。
（人體膝關(guān)節(jié)示意圖 via：zzxu.cn）
而且在過去的幾十年里，足式機(jī)器人雖然得到了很大的發(fā)展，但是，能量消耗大這個(gè)問題一直困擾著設(shè)計(jì)者。
據(jù)估計(jì)，日本本田公司的阿西莫機(jī)器人單位重量移動(dòng)單位距離所消耗的能量是人類的10倍以上。因?yàn)樗拿總€(gè)腿關(guān)節(jié)都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，計(jì)算機(jī)控制行走過程中各關(guān)節(jié)每一時(shí)刻的角度和角速度等參數(shù)。采用這種方式已經(jīng)研制出了能夠成功行走的機(jī)器人，不過它們需要復(fù)雜、快速、精確的驅(qū)動(dòng)和控制，因此能量消耗率遠(yuǎn)高于人類。
限制傳統(tǒng)行走機(jī)器人實(shí)用化的一個(gè)重要因素是其過高的能耗。傳統(tǒng)的機(jī)器人需要大量的馬達(dá)對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，要消耗大量的能量，且馬達(dá)在一個(gè)行走周期中會(huì)做部分負(fù)功，使能耗進(jìn)一步增加。所以我們都會(huì)看到不管是Asimo還是Atlas，都會(huì)背著一個(gè)大大的電池書包，大狗用的則是柴油，所以噪音自然不小。
（Atlas機(jī)器人后背的電池背包 via：youtube.com）
于是人們說，我們可以采取被動(dòng)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方式啊。確實(shí)，上世紀(jì)90年代開始發(fā)展起來(lái)的被動(dòng)行走機(jī)器人是一種比較簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置，由固體桿件通過關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)組成，能夠在一個(gè)向下的傾斜面上僅依靠重力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。它們沒有電機(jī)和控制器，僅依靠重力勢(shì)能補(bǔ)償行走過程中由碰撞和摩擦產(chǎn)生的能量損耗，由自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分布等來(lái)實(shí)現(xiàn)周期性行走。其單位重量移動(dòng)單位距離所消耗的能量值與人類行走時(shí)的數(shù)值大小相當(dāng)，這讓它們的行走效率超過以往任何行走機(jī)械。但是，光看著這些描述我們就會(huì)擔(dān)憂，這個(gè)只有依靠斜坡才能運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人我們還能讓它干些什么。
上面主要從技術(shù)的角度上來(lái)講的，我們?cè)賮?lái)看看從情感上。
“恐怖谷理論”：你會(huì)想要一個(gè)仿人機(jī)器人嗎？
（影視作品中的機(jī)器人管家形象）
假如你們家的管家是一個(gè)機(jī)器人，我想你期待的是一個(gè)什么樣的機(jī)器人呢。假如你說你偏好雙足的，那多半你期待的是一個(gè)仿人機(jī)器人，可是我以前在文章《2015年，機(jī)器人界發(fā)生了哪些神奇瘋狂的故事？（下）》中介紹Geminoid F機(jī)器人的時(shí)候介紹過“恐怖谷理論”，如果Geminoid F這樣美麗的機(jī)器人你看著都怕，你怎么讓她當(dāng)你的管家或者玩伴。再說，假如她哪個(gè)零件壞掉了，恐怕你連抱都抱不動(dòng)這個(gè)金屬家伙吧。
那既然家用不行，我們可以軍用。別忘了，美軍已經(jīng)因?yàn)榇蠊诽骋呀?jīng)不用它了，而且這么費(fèi)油，還不如開輛車運(yùn)送的東西多呢。
由此看來(lái)，多足機(jī)器人也許只是人類想要模仿或者還原人類以及自然界動(dòng)物的一種最初的想法，從現(xiàn)在各種窘境以及以多足機(jī)器人為主要業(yè)務(wù)的波士頓動(dòng)力的此次易主我們可以看出并體會(huì)到，多足機(jī)器人的路真的是越走越難了。
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