下樓成功率100%！這個(gè)“盲人”機(jī)器人無需傳感器，全憑“感覺”，也能上下樓梯自如

作者：Caleb

對(duì)于大多數(shù)人來說，眼睛是居家旅行必備。

但盲人可能需要依靠多方位感知，比如聽覺等。

這如果換算到機(jī)器人身上，就意味著安裝各種傳感器，給予它們“視覺”。

可是，盲人沒有視覺可以繼續(xù)生活，機(jī)器人要是沒了“視覺”，還能正常工作嗎？

在機(jī)器人界，流傳著這么一句話，你們?nèi)祟愖龅玫降氖?，我們機(jī)器人也都能做到。

于是，這個(gè)由俄勒岡州立大學(xué)動(dòng)態(tài)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室于2017年完成的“盲人機(jī)器人”Cassie就誕生了。

Cassie到底有多“盲”呢？

研究人員表示，Cassie在爬樓梯的時(shí)候，沒有使用任何計(jì)算機(jī)視覺或傳感器技術(shù)，而是完全依賴于Cassie的“本體感受”或身體意識(shí)，向上或向下移動(dòng)，就像人類一樣。

在俄勒岡州立大學(xué)，“盲人”Cassies進(jìn)行了上下樓梯、在不平坦路面行走的訓(xùn)練，結(jié)果顯示，在10個(gè)試驗(yàn)中，Cassies上樓梯的成功率是80％，下樓梯的成功率達(dá)到了100％。

我們還是先來看看Cassies的“翻車”實(shí)錄，可以看到，在第七次實(shí)驗(yàn)中，Cassies上第二步臺(tái)階時(shí)，右腳明顯沒踩穩(wěn)，從而失去了重心，直接倒在了地上：

不過除此之外，Cassies的表現(xiàn)都算可圈可點(diǎn)。

最近發(fā)表于ARXIV上發(fā)布的一篇論文中，研究人員解釋到，Cassie可以在樓梯上測(cè)試前，工程師們對(duì)其進(jìn)行了虛擬培訓(xùn) ，使用了一種稱為“從模擬到真實(shí)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)”技術(shù)（sim-to-real reinforcement learning）。

論文鏈接：

https://arxiv.org/pdf/2105.08328.pdf

更靠近人類行走模式的Cassie機(jī)器人

研究人員表示，機(jī)器人爬樓梯已經(jīng)不是什么新鮮事兒了，只要給機(jī)器人安裝上攝像機(jī)，利用計(jì)算機(jī)視覺，機(jī)器人也能和人類一樣上下樓梯自如。

但現(xiàn)實(shí)情況并非總是如此理想，比如在燈光昏暗的時(shí)候，輸入的視覺數(shù)據(jù)可能就不是最優(yōu)解。

因此，他們希望開發(fā)Cassie這種僅使用“本體感受”或身體意識(shí)，來行走或者上下樓梯的機(jī)器人，也就是說，更靠近人類行走的方式。

這也不是Cassie第一次進(jìn)行類似的行走訓(xùn)練了，不過之前大多是在平地上或小坡上。如今，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過隨機(jī)的交互訓(xùn)練，也足以讓Cassie學(xué)習(xí)穩(wěn)健的行走方式。

用于訓(xùn)練的樓梯是隨機(jī)的。每組樓梯有1到8個(gè)單獨(dú)的臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階的高度在10厘米到21厘米之間，或24厘米至30厘米之間。小量的噪音（±1厘米）被加入到系統(tǒng)中，這樣臺(tái)階就不會(huì)完全統(tǒng)一。

在這樣的情況下，研究人員仍然發(fā)現(xiàn)，Cassie可以輕而易舉地上下樓梯，盡管下樓梯的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)兩步并作一步的情況，但就整體表現(xiàn)和其平穩(wěn)程度來看，都是相當(dāng)值得鼓勵(lì)的。

在俄勒岡州立大學(xué)的一小段階梯的實(shí)驗(yàn)中，Cassies上下樓均有不俗的表現(xiàn)，在10次反復(fù)測(cè)試中，Cassies上樓梯的成功率是80％，下樓梯的成功率達(dá)到了100％。

研究人員表示，據(jù)他們所知，這是雙足人型機(jī)器人的第一個(gè)控制器（controller），其能很好地支持機(jī)器人通過“本體感受”穿越于現(xiàn)實(shí)世界的樓梯及其他類似的干擾中。

當(dāng)然，Cassie也存在一些限制，比如它需要保持恒定的速度，如果在樓梯上太快或太慢，都會(huì)讓機(jī)器人不知所措。

該小組寫道：“這項(xiàng)工作證明了‘盲人機(jī)器人’驚人的運(yùn)動(dòng)能力，但也留下了問題，即它們的極限在哪?！?/p>

從科學(xué)演示到實(shí)用性，Cassie的迭代之路尚未停止

Cassie由俄勒岡州立大學(xué)的動(dòng)態(tài)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室于2017年開發(fā)。

從上面的圖片中可以看出，Cassie沒有“頭”，其臀部具有三個(gè)自由度，允許雙腿向前和向后移動(dòng)，還可以同時(shí)旋轉(zhuǎn)。此外，Cassie的動(dòng)力式腳踝使它可以無需踱步就能長時(shí)間地站立就位。

Cassie的項(xiàng)目組由紅極一時(shí)的雙足機(jī)器人ATRIAS的開發(fā)人員組成，其開發(fā)公司Agility Robotics聯(lián)合創(chuàng)始人Jonathan Hurst表示，Cassie是下一代機(jī)器人，旨在吸收從ATRIAS項(xiàng)目中學(xué)到的所有知識(shí)，并將其構(gòu)建到功能更強(qiáng)大，更實(shí)用的平臺(tái)中。

ATRIAS是第一臺(tái)展示人的步態(tài)動(dòng)力學(xué)，并實(shí)現(xiàn)彈簧質(zhì)量行走的機(jī)器人，其可再現(xiàn)人的行走的地面反作用力和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)。但是，除了這些科學(xué)演示以外，ATRIAS沒有其他的實(shí)用價(jià)值。

其實(shí)，在ATRIAS的設(shè)計(jì)中，還存在很多未知數(shù)。

研究人員從ATRIAS過程中學(xué)到了一些關(guān)鍵知識(shí)，比如，ATRIAS上的支腿配置為4桿聯(lián)動(dòng)裝置，部分目的是為彈簧質(zhì)量模型實(shí)施產(chǎn)生最小的慣性。但是，這種配置會(huì)導(dǎo)致一臺(tái)電動(dòng)機(jī)在另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)上起制動(dòng)器的作用，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量功率循環(huán)。

經(jīng)過分析，研究人員所開發(fā)出的Cassie的特定腿部配置，能夠使電機(jī)體積更小，并且效率比ATRIAS高得多。

密歇根大學(xué)工程學(xué)教授Jessy Grizzle獲得了首批Cassie機(jī)器人的使用權(quán)，根據(jù)使用體驗(yàn)，他對(duì)Cassie的耐用性尤其興奮，“Cassie很堅(jiān)固，它是專為實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的艱苦生活而設(shè)計(jì)的。原則上，我們不必使用任何類型的安全門架，這使得我們能夠?qū)C(jī)器人帶到野外去”。

正如Cassie本就設(shè)計(jì)為一種實(shí)用機(jī)器人一樣，Cassie會(huì)出現(xiàn)于搜索和救援以及救災(zāi)等各種緊急危險(xiǎn)場(chǎng)景，同時(shí)，Cassie也能擔(dān)任快遞小哥的職位，進(jìn)行送貨上門的服務(wù)。

Hurst表示，手臂和傳感器也即將安裝到Cassie身上，這將使Cassie能夠跌倒后自行站起來，并且公司還在致力于研究遠(yuǎn)程VR式的呈現(xiàn)。

如今社會(huì)上很多空間的設(shè)計(jì)都是為了服務(wù)以人類為代表的雙足運(yùn)動(dòng)，也就是說，如Cassie般的雙足機(jī)器人可能會(huì)成為未來最有價(jià)值也最可靠的機(jī)器人模型。

我們也非常期待看到更多服務(wù)社會(huì)的雙足機(jī)器人邁著穩(wěn)健的步伐走來。

相關(guān)報(bào)道：

https://www.engadget.com/a-bipedal-robot-has-learned-to-tackle-stairs-blind-102647481.html

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/agility-robotics-introduces-cassie-a-dynamic-and-talented-robot-delivery-ostrich

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-9596871/Blind-robot-learns-navigate-flight-stairs-time-feeling-way.html