作者：Aaron Aupperlee，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和伯克利的研究人員設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)允許小型、低成本的有腿機(jī)器人在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中機(jī)動(dòng)。

這個(gè)小機(jī)器人幾乎可以去任何地方

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，使一個(gè)低成本和相對(duì)較小的腿部機(jī)器人能夠爬上和走下接近其高度的樓梯；穿越巖石、濕滑、不平、陡峭和多變的地形；走過空隙；攀登巖石和路邊；甚至在黑暗中操作。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的助理教授Deepak Pathak說："賦予小型機(jī)器人爬樓梯和處理各種環(huán)境的能力，對(duì)于開發(fā)在人們的家中以及搜救行動(dòng)中有用的機(jī)器人至關(guān)重要。"這個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)造了一個(gè)堅(jiān)固和適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人，可以執(zhí)行許多日常任務(wù)。”

研究小組對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了測(cè)試，在公共公園不平坦的樓梯和山坡上測(cè)試，挑戰(zhàn)它走過墊腳石和濕滑的表面，并要求它爬樓梯，而對(duì)于它的身高來說，爬樓梯就像人類躍過障礙物一樣。該機(jī)器人依靠其視覺和小型機(jī)載計(jì)算機(jī)，迅速適應(yīng)并掌握了具有挑戰(zhàn)性的地形。

研究人員用4000個(gè)克隆的機(jī)器人在一個(gè)模擬器上進(jìn)行訓(xùn)練，在那里他們練習(xí)在具有挑戰(zhàn)性的地形上行走和攀爬。模擬器的速度使機(jī)器人在一天之內(nèi)獲得了六年的經(jīng)驗(yàn)。模擬器還將它在訓(xùn)練期間學(xué)到的運(yùn)動(dòng)技能儲(chǔ)存在一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，研究人員將其復(fù)制到真正的機(jī)器人上。這種方法不需要對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行任何手工設(shè)計(jì)，這與傳統(tǒng)的方法不同。

大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)使用攝像頭來創(chuàng)建周圍環(huán)境的地圖，并在執(zhí)行之前使用該地圖來計(jì)劃動(dòng)作。這個(gè)過程是緩慢的，而且往往會(huì)由于映射階段固有的模糊性、不精確性或誤解而影響后續(xù)的計(jì)劃和運(yùn)動(dòng)。繪圖和計(jì)劃在專注于高級(jí)控制的系統(tǒng)中是有用的，但并不總是適合低級(jí)技能的動(dòng)態(tài)要求，如在具有挑戰(zhàn)性的地形上行走或跑步。

新系統(tǒng)繞過了測(cè)繪和規(guī)劃階段，直接將視覺輸入導(dǎo)向機(jī)器人的控制。機(jī)器人看到的東西決定了它如何移動(dòng)。甚至連研究人員都沒有指定腿應(yīng)該如何移動(dòng)。這種技術(shù)使機(jī)器人能夠?qū)τ娑鴣淼牡匦巫鞒隹焖俜磻?yīng)，并有效地通過它。

由于不涉及地圖或計(jì)劃，而且動(dòng)作是通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的，所以機(jī)器人本身可以是低成本的。該團(tuán)隊(duì)使用的機(jī)器人比現(xiàn)有的替代品至少要便宜25倍。該團(tuán)隊(duì)的算法有可能使低成本的機(jī)器人更廣泛地使用。

"這個(gè)系統(tǒng)直接使用視覺和身體的反饋?zhàn)鳛檩斎耄驒C(jī)器人的電機(jī)輸出指令。"卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院機(jī)器學(xué)習(xí)專業(yè)的博士生Ananye Agarwal說："這種技術(shù)使該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界中非常穩(wěn)健。如果它在樓梯上滑倒，它可以恢復(fù)。它可以進(jìn)入未知的環(huán)境并適應(yīng)。"

這種直接從視覺到控制的方面是受生物啟發(fā)的。人類和動(dòng)物使用視覺來移動(dòng)。試著閉著眼睛跑步或保持平衡。該團(tuán)隊(duì)以前的研究表明，盲目的機(jī)器人--沒有攝像頭的機(jī)器人--可以征服具有挑戰(zhàn)性的地形，但是增加視覺并依靠這種視覺大大改善了該系統(tǒng)。

該團(tuán)隊(duì)還從大自然中尋找該系統(tǒng)的其他元素。對(duì)于一個(gè)小型機(jī)器人--在這種情況下，不到一英尺高--來說，要想攀爬樓梯或接近其高度的障礙物，它要學(xué)會(huì)采用人類用來跨過高大障礙物的動(dòng)作。

當(dāng)人類不得不高高抬起腿來攀爬壁架或障礙物時(shí)，它用臀部將腿向外側(cè)移動(dòng)，稱為外展和內(nèi)收，給它更多的間隙。帕塔克團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)也是如此，利用臀部外展來應(yīng)對(duì)障礙物，而這些障礙物會(huì)絆倒市場(chǎng)上一些最先進(jìn)的腿部機(jī)器人系統(tǒng)。

四條腿的動(dòng)物的后腿運(yùn)動(dòng)也啟發(fā)了該團(tuán)隊(duì)。當(dāng)一只貓?jiān)谡系K物中移動(dòng)時(shí)，它的后腿會(huì)避開與前腿相同的物品，而沒有附近的眼睛。"四條腿的動(dòng)物有一種記憶，使它們的后腿能夠跟蹤前腿。我們的系統(tǒng)以類似的方式工作 "帕塔克說。該系統(tǒng)的板載存儲(chǔ)器使后腿能夠記住前面的攝像頭所看到的東西，并進(jìn)行機(jī)動(dòng)以避免障礙物。

加州伯克利大學(xué)的博士生Ashish Kumar說："由于沒有地圖，沒有規(guī)劃，我們的系統(tǒng)記住了地形和前腿的移動(dòng)方式，并將其轉(zhuǎn)化為后腿，這樣做既迅速又完美。“

這項(xiàng)研究可能是朝著解決腿部機(jī)器人所面臨的現(xiàn)有挑戰(zhàn)并將它們帶入人們的家庭邁出的一大步。由Pathak、伯克利大學(xué)教授Jitendra Malik、Agarwal和Kumar撰寫的論文 "使用以自我為中心的視覺在具有挑戰(zhàn)性的地形中進(jìn)行腿部運(yùn)動(dòng)"，將在即將于新西蘭奧克蘭舉行的機(jī)器人學(xué)習(xí)會(huì)議上發(fā)表。

美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院成立于1979年，旨在對(duì)與工業(yè)和社會(huì)任務(wù)相關(guān)的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。尋求將實(shí)踐與理論相結(jié)合，機(jī)器人學(xué)院在致力于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)潛力的同時(shí)保留了其最初的目標(biāo)，即在機(jī)器人科學(xué)方面進(jìn)行了多種努力和方法。該設(shè)施包括位于匹茲堡主要校園的約100,000平方英尺，位于勞倫斯維爾的國家機(jī)器人工程中心的100,000平方英尺，并且還在不斷增長。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)擁有世界領(lǐng)先的機(jī)器人技術(shù)。引導(dǎo)NASA的火星探測(cè)器的軟件和凱迪拉克的防碰撞系統(tǒng)都是在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開始研究的。 現(xiàn)在，科學(xué)家正在開發(fā)幫助老人做家務(wù)的機(jī)器人，以及登月機(jī)器人。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)是世界第一所專門開設(shè)機(jī)器人系的大學(xué)。學(xué)校的機(jī)器人系也就是目前的機(jī)器人研究所（Robotics Institute (RI)），開設(shè)在計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院（School of Computer Science）下。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究所成立于1979年，進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。30余年前，機(jī)器人研究所打開了機(jī)器人新時(shí)代夢(mèng)想的大門。目前，研究所結(jié)合理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)在機(jī)器人科學(xué)領(lǐng)域有了多樣化發(fā)展，不過仍保留有最初的目標(biāo)：成為全球研究機(jī)器人的最好的地方。