小身材大耐力全球唯一小貝上理工團(tuán)隊研發(fā)智能高效雙足機(jī)器人
你是否有這樣的感受？在緩坡下坡行走時，腳步似乎自動交替無需使力，身體會進(jìn)入非常放松的狀態(tài)，但如果坡度變陡，腳步就會凌亂起來，再不費點勁控制可就要摔跤了。這樣的規(guī)律其實正是人類行走的奧秘，而將人類控制步態(tài)的能力賦予機(jī)器人就能解決一直困擾雙足機(jī)器人行走平衡性和能效性的兩大難題。
記者日前從上海理工大學(xué)機(jī)器智能研究院獲悉，執(zhí)行院長李清都教授團(tuán)隊利用被動行走和人工智能的創(chuàng)新方法研制出新型雙足機(jī)器人，成為全球目前唯一可以同時做到平衡、高效、智能、安全、經(jīng)濟(jì)5個關(guān)鍵特性的大雙足機(jī)器人小貝。
圖說：機(jī)器人小貝實現(xiàn)了輕松行走采訪對象供圖（下同）
降能耗減一半電機(jī)
今年，美國波士頓動力公司研發(fā)的Atlas機(jī)器人后空翻、三連跳的酷炫視頻紅遍網(wǎng)絡(luò)，這款身姿矯健的機(jī)器人符合人們對鋼鐵戰(zhàn)士的一切想象。而另一款代表領(lǐng)先水平的雙足機(jī)器人是日本本田公司研發(fā)的仿人機(jī)器人ASIMO，相比Atlas的陽剛，它顯得更溫柔親和。這兩款機(jī)器人都很好地展現(xiàn)了機(jī)器人的平衡能力，但也都有共同的煩惱――高能耗。
一直以來，雙足機(jī)器人的研發(fā)主要是形態(tài)上的仿生，也就是說要讓機(jī)器人的行走能夠像人一樣，無論是Atlas還是ASIMO的下半身都有十余個驅(qū)動關(guān)節(jié)，以控制各種方向的力量。可驅(qū)動關(guān)節(jié)一多，力量和平衡有了，能耗也高了。機(jī)器人真的需要那么多驅(qū)動‘關(guān)節(jié)’嗎？李清都教授琢磨著，既然電機(jī)影響能耗，那就干脆做減法，于是團(tuán)隊嘗試直腿機(jī)器人的研發(fā)，將電機(jī)數(shù)量減少了一多半。
驅(qū)動電機(jī)少了，如何實現(xiàn)平衡就成了一個非常大的挑戰(zhàn)。我們做了很多‘被動行走’的基礎(chǔ)研究，也做了大量的仿真和實驗驗證，包括步態(tài)控制和能效等。在緩坡下坡實驗中，李清都教授研究了新模型，在沒有任何驅(qū)動下，受重力、腿結(jié)構(gòu)及坡度等的影響，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人會經(jīng)歷周期穩(wěn)定混沌和發(fā)散三種步態(tài)，工業(yè)機(jī)器人維修，當(dāng)坡度平緩時會有一個耗能很低的穩(wěn)定步伐，當(dāng)坡度增加，就需要逐漸給予力量控制，否則就最終會摔倒。搞清楚機(jī)器人自身的運動規(guī)律，也就把握了保持平衡的控制力度和時機(jī)。這種新的動態(tài)平衡技術(shù)，KUKA機(jī)器人維修，無需大腳，就像踩高蹺，機(jī)器人就能平穩(wěn)行走。
圖說：行者二號身形苗條，更有親和力
適應(yīng)環(huán)境學(xué)人走路
除了基礎(chǔ)原理，要讓機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境自動邁步還得賦予它智慧。團(tuán)隊聯(lián)合德國漢堡大學(xué)、深圳市行者機(jī)器人技術(shù)有限公司研制的小貝機(jī)器人，利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)、連續(xù)學(xué)習(xí)等一系列人工智能技術(shù)，讓機(jī)器人通過2D、3D的逐步訓(xùn)練，像孩童學(xué)步一樣，慢慢掌握走路技巧。小貝的體重不到10公斤，身高也像個小童，但是它的平衡能力已經(jīng)很出色――測試表明，在撞擊、推拉、風(fēng)吹、不平路面等復(fù)雜環(huán)境中仍能正常行走；得益于人工智能算法，小貝對機(jī)電傳感的性能需求降低，還能實現(xiàn)智能交互，推一下，它便向前邁幾步，回拉一下，它就像個寵物一樣跟著走，對人非常安全、友好。
小貝的前身行者一號已經(jīng)具備很強(qiáng)的耐力，它曾打破吉尼斯世界紀(jì)錄，是目前世界上能效最高的機(jī)器人，它的能效甚至超過了人類，實測僅耗0.8度電可以續(xù)航134公里。傳統(tǒng)雙足機(jī)器人的運輸損耗COT是人類的10-20倍，目前的電機(jī)技術(shù)和電池等都難以支撐，所以很難實用。我們的研發(fā)路徑可以說是‘換道超車’吧。
始終堅持為人服務(wù)
目前，李清都教授正忙于調(diào)試小貝，希望通過進(jìn)一步的復(fù)雜環(huán)境的學(xué)習(xí)，讓小貝能適應(yīng)更多路況。而小貝的技術(shù)已經(jīng)形成產(chǎn)品――智能助行機(jī)器人，能幫助行動不便的老人更安全、輕松地行走，還可以自動采集人雙腿步態(tài)、雙臂壓力等數(shù)據(jù)，分析使用者的行走步態(tài)，監(jiān)護(hù)使用者的健康狀況。團(tuán)隊研發(fā)的行者二號也已經(jīng)在不久前的高交會上亮相，KUKA機(jī)器人電路板維修，這款身材苗條的美女機(jī)器人，未來將會集成更多智能應(yīng)用，或許將成為酒店迎賓、交通協(xié)管、環(huán)衛(wèi)工人或者生活管家。