波士顿动力终于实现类人平衡力!全新算法赋予机器人摆脱“摔倒”魔咒



这次,它学会了先试一试再决定怎么迈下一步。



如果有人统计一下人们对双足机器人的第一印象是什么,“容易摔倒”绝对会名列前三。


但是,新一代的双足机器人绝对会让你大吃一惊。如今,它们不但可以平衡的行走,甚至还可以越野了。通过一种新的控制算法,美国佛罗里达州人机认知研究所(Florida Institute for Human and Machine Cognition, IHMC)的机器人实验室实现了拟人的平衡能力


该算法的测试使用了波士顿动力公司(Boston Dynamics)的Atlas机器人,在算法的控制下,Atlas现在可以平稳的走过一段崎岖不平的水泥砖路。从动图中我们可以看到,Atlas的行为和人类基本无差:首先把脚轻轻地踩上去,判断地面的承受能力,接着通过调整身体和手臂来实现平衡



在解释此项技术的论文中,研究人员表示“机器人通过对足中心施展压力来探索接触面,根据探索阶段中足的旋转勾画出可以受力的平衡点”。通过探索和计算,机器人可以决定如何“踩下去”。它还会通过上身的运动,比如挥胳膊,来保持或找回平衡。在测试中,它可以走过崎岖不平的水泥砖路。


当机器人走过崎岖度较小的碎石地面时,通常依靠脚踝的转动适应地面斜度而保持平衡;然而,当地面崎岖度比较尖锐时,依靠脚踝转动适应地面极易达到踝关节转动极限,从而导致机器损坏。



机器人走过尖锐的线接触或点接触地面示意图:首先保持足部接近水平方向而非严格适应地面斜度,然后逐步转动脚踝变换有效接触面法线方向防止足部滑落。


新的控制算法中,研究者控制机器人脚部接近水平方向而非严格与地面斜度一致,为了保持平衡,利用位置控制保持脚部方向平行于接触线,并利用垂直于接触线的转矩来变换接触线上的压力中心(CoP)。通过转动脚踝,随之变换有效的接触面法线方向从而防止足部滑落。


▲  预估地形落脚点及最佳压力中心(CoP)


预估当前地形对于机器人平衡和行走时如何放置压力中心(center of pressure,CoP)十分重要。当地形状况未知时,机器人每走一步都需要预估下一步的落脚点。


首先假设整个足部接触地面,然后机器人开始在落脚点区域计算其足部的局部压力中心,如果预期压力中心(Desired CoP)位于足部受地面支撑的区域,那么精确的压力中心将十分接近该预期压力中心;然而,当预期压力中心位于足部未受地面支撑的区域,则需要旋转足部脚踝改进对地形的预估,也即是除去这部分不能支撑重量的落脚点部分。研究者通过测量脚踝转动速度,或者基于脚步及地面几何形状来探测脚部的转动运动。



研究人员表示,他们的成功“将会使双足机器人在真实世界里更有实用价值”。当然,和人类一样,机器人的判断也可能是错误的。但是研究人员已经开始研究如何确保机器人可以安全的摔倒,像人类一样,不会轻易地因为摔一跤而摔傻了(摔坏电路板)。


IHMC论文地址:https://arxiv.org/pdf/1607.08089v1.pdf


以下是Atlas测试视频:





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