機(jī)器人領(lǐng)域又一大突破：MIT最新研發(fā)的第三代獵豹機(jī)器人

機(jī)器人領(lǐng)域又一大突破：MIT最新研發(fā)的第三代獵豹機(jī)器人，不依靠視覺和任何外部傳感器，全憑控制算法，漂亮地縱身飛躍上桌，還能輕松爬上滿是障礙物的樓梯，在突然被猛推或猛拉時迅速恢復(fù)平衡。這樣的機(jī)械狗，你要不要也來一只？

說到獵豹機(jī)器人，你可能想到了波士頓動力的這個：

是的，被譽(yù)為最快的機(jī)器人，波士頓動力的獵豹跑起來你連它的腿都看不清。

不過，還有一款獵豹機(jī)器人，同樣乃至更為出色。那就是MIT的獵豹機(jī)器人。

最新研發(fā)的第三代獵豹機(jī)器人（Cheetah 3）是約90磅重的四足機(jī)器人，體型大約有一只成年拉布拉多犬那么大。

就是不喜歡靜靜地照張相

獵豹機(jī)器人從第 1 代開始便表現(xiàn)十分驚艷：它能自主跨越障礙物、實(shí)現(xiàn)每小時30 英里（約 48 公里）的高速奔跑（詳見文末視頻）。

由于采用的是腿式，而不是輪子，獵豹3能更好地在崎嶇地形行走，它的穩(wěn)定性十分可靠，甚至能依靠三只腿保持平衡。

三只腳就能保持平衡

而這次升級中，它被有意設(shè)計成不需依賴攝像頭或任何外部傳感器就能完成所有這些任務(wù)。它能靈活地“感覺”周圍的環(huán)境，工程師們稱之為“盲眼運(yùn)動”（blind locomotion），就像人能穿過黑漆漆的房間一樣。

“機(jī)器人應(yīng)該能夠處理各種意想不到的行為，而不用過多依賴視覺?！鲍C豹3的設(shè)計師、MIT機(jī)械工程學(xué)副教授Sangbae Kim說：“視覺可能會有噪音，會有些不準(zhǔn)確，有時甚至完全不可用。如果太過依賴視覺，機(jī)器人必須非常精確地定位，導(dǎo)致行動很慢。因此，我們希望機(jī)器人更多地依賴觸覺信息。這樣，它可以在快速移動的同時處理意外的障礙。

研究人員將于10月份在馬德里舉行的智能機(jī)器人國際會議上展示這款機(jī)器人的無視覺能力。除了無需視覺的移動之外，該團(tuán)隊還將展示機(jī)器人升級后的硬件，包括與前一代的獵豹2相比更廣泛的運(yùn)動范圍，并允許機(jī)器人能夠前后伸展，從一邊向另一邊扭轉(zhuǎn)，就像一只準(zhǔn)備撲向獵物的貓一樣。

在接下來的幾年里，Kim想讓這款機(jī)器人執(zhí)行由于太過危險而導(dǎo)致人類無法執(zhí)行、或人類難以接近的任務(wù)。

“獵豹3被設(shè)計來執(zhí)行各種各樣的任務(wù)，比如電站檢查，這些任務(wù)涉及各種地形條件，包括樓梯、路緣和布滿障礙物的地面?！盞im說：“我認(rèn)為有非常多的場合，我們會想讓機(jī)器人代替人類去完成簡單的任務(wù)。”通過遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，可以更安全地完成危險、骯臟和困難的工作。

接觸檢測算法：無需視覺，飛躍上桌，平穩(wěn)降落

獵豹3能夠無需視覺地爬上樓梯，穿過崎嶇不平的地形，并且在遇到意想不到的外力時能夠迅速恢復(fù)平衡，這都要?dú)w功于Kim團(tuán)隊開發(fā)的兩種新算法：接觸檢測算法（contact detection algorithm）和模型預(yù)測控制算法（model-predictive control algorithm）。

接觸檢測算法幫助機(jī)器人確定某只腿從在空中擺動切換到踏上地面的最佳時刻。例如，如果機(jī)器人踩在一根細(xì)細(xì)的樹枝上，而不是踩在堅硬沉重的石頭上，它會采取怎樣的反應(yīng)——是繼續(xù)邁著步子走過去，還是向后退屈一下腿——可以決定它是否能保持平衡。

“當(dāng)涉及到從空中到地面的切換時，切換的動作必須要做得非常好，”Kim說：“這個算法的真正意義在于，確定‘何時才是安全的落腳時間點(diǎn)?’”

飛身上桌，騰空高度近1米，平穩(wěn)落地

接觸檢測算法幫助機(jī)器人確定在腿的擺動踩地之間轉(zhuǎn)換的最佳時間點(diǎn)，它要對每只腿連續(xù)地計算三種可能性：腿與地面接觸的概率，腿撞到地面并產(chǎn)生力的概率，以及腿在中間發(fā)生擺動的概率。該算法基于來自陀螺儀、加速度計和腿部關(guān)節(jié)位置的數(shù)據(jù)來計算這些概率，這些數(shù)據(jù)記錄了腿部相對于地面的角度和高度。

例如，如果機(jī)器人意外地踩到一塊木頭上，它的身體會突然傾斜，從而改變了機(jī)器人相對于地面的角度和高度。這些數(shù)據(jù)會立即被用于計算每只腿的上述三個概率，算法將結(jié)合估計每條腿是否應(yīng)該向下壓地，還是應(yīng)該抬起來并分開以保持平衡——所有這些都是在機(jī)器人沒有視覺的情況下進(jìn)行的。

不依靠視覺爬樓梯，純靠算法維持平衡

“如果人類閉上眼睛向前邁出一步，我們會對地面可能在哪里有一個心理模型，并且可以為此做好準(zhǔn)備。但我們同時也依賴于觸摸地面的感覺?！盞im說：“對獵豹3機(jī)器人我們做的是類似的事情，將多個（來源）信息結(jié)合起來，以確定切換的時間?！?/p>

研究人員在實(shí)驗中測試了該算法：讓獵豹3在實(shí)驗室的跑步機(jī)上小跑，以及爬樓梯。兩個表面都隨意散落著一些物體，例如木塊和膠帶卷。

“它不知道每個臺階的高度，也不知道樓梯上有障礙物，但它只是盡力在不失去平衡的情況下艱難前行，”Kim說，“如果沒有這個算法，機(jī)器人非常不穩(wěn)定，很容易摔下來?！?/p>

模型預(yù)測算法：任你怎么踹怎么踢都不倒

獵豹3的這種無需視力的運(yùn)動能力也部分歸功于模型預(yù)測控制算法，該算法可以預(yù)測某條腿在踏出一步后應(yīng)該施加多大的力。

Cheetah 3卓越的平衡性，就是推不倒

“接觸檢測算法會告訴你，‘現(xiàn)在是在地面上施加力的時候了，’”Kim說，“但一旦接觸到地面時，你需要馬上計算要施加多大的力，這樣你才能以正確的方式移動身體?！?/p>

當(dāng)任何一只腿接觸到地面并施加了特定大小的力，模型預(yù)測控制算法會馬上計算在未來的半秒內(nèi)機(jī)器人的身體和腿應(yīng)該處于什么位置。

Kim說：“比方說加入有人從側(cè)邊踢了機(jī)器人一腳，當(dāng)腳已經(jīng)接觸到地面時，算法就要決定‘我該如何確定腳要施加的力？因為左邊有一個不想要的速度，所以我得對相反的方向施加一個力來消滅那個速度。如果我向相反方向施加100牛頓的力，那么半秒后會發(fā)生什么?’”

該算法被設(shè)計成每50毫秒對每條腿進(jìn)行一次計算（或每秒計算20次）。在實(shí)驗中，研究人員在機(jī)器人在跑步機(jī)上小跑時用腳踢和用力拉扯，并在它爬上滿是障礙物的樓梯時用皮帶猛拽。他們發(fā)現(xiàn)，模型預(yù)測算法使機(jī)器人能夠快速產(chǎn)生反作用力，以恢復(fù)平衡并繼續(xù)前進(jìn)，而不會朝相反的方向摔倒。

Kim說：“歸功于這種預(yù)測控制，機(jī)器人能夠在地面上施加正確的力，再加上接觸檢測算法，每一次接觸都非常迅速而且安全?！?/p>

拉也拉不到

該團(tuán)隊已經(jīng)為機(jī)器人添加了攝像頭，以便為機(jī)器人提供周圍環(huán)境的視覺反饋。這將有助于機(jī)器人繪制大環(huán)境的地圖，并使機(jī)器人在面對較大的障礙物，例如門和墻時先在視覺上檢測到。但目前，研究團(tuán)隊正在努力進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)器人的無視覺移動能力。

“我們想先做一個不需視覺的很好的控制器，”Kim說，“當(dāng)我們?yōu)樗黾右曈X能力，即使可能反饋的是錯誤的信息，腿也應(yīng)該能夠處理（障礙）。因為如果它踩到了攝像機(jī)看不到的東西怎么辦？它要怎樣行動？這就是盲眼運(yùn)動的作用。我們不想太過相信自己的視覺。”

這項研究部分得到了Naver，豐田研究所，富士康和空軍科學(xué)研究辦公室的支持。

最后，看一下MIT的第一代獵豹機(jī)器人。那時候它的體型更大，但奔跑速度和跨越障礙物的能力同樣出色。

MIT第一代獵豹機(jī)器人輕松跨越障礙物