MIT研發(fā)的第三代獵豹機(jī)器人可以不依靠視覺來行動

麻省理工大學(xué)研發(fā)的第三代獵豹機(jī)器人（Cheetah 3）現(xiàn)在可以實現(xiàn)跳躍、在崎嶇的地形馳騁、或爬上堆滿雜物的樓梯，并在遇到突然的猛拉、推搡時能迅速恢復(fù)其平衡。

令人驚訝的是，它實現(xiàn)這些動作靠的不是視覺系統(tǒng)，它可以說是一個盲人機(jī)器豹。

Cheetah 3卓越的平衡性讓它就是推不倒

當(dāng)然也拉不倒

這只大小相似成年拉布拉多犬的90磅重的機(jī)械野獸，是故意被設(shè)計成不依賴相機(jī)或任何外部環(huán)境傳感器而完成這些動作的。取而代之的是，它通過敏捷地“感覺”周圍環(huán)境的方式來行動，工程師們稱之為“盲目運(yùn)動”，就像穿過一個漆黑的房間一樣。

麻省理工大學(xué)機(jī)械工程系副教授Sangbae Kim說：“機(jī)器人在不過度依賴視覺的情況下，應(yīng)該有很多意想不到的行為。”，“視覺可能是繁雜的，有些不準(zhǔn)確的，有時甚至是不可用的，如果你過于依賴視覺，你的機(jī)器人對于位置的判斷必須非常準(zhǔn)確，這最終將導(dǎo)致它的行為必是緩慢的。所以我們希望機(jī)器人更多地依靠觸覺信息。這樣，它可以在快速移動時處理意想不到的障礙?！?/p>

不依靠視覺爬樓梯，純靠算法維持平衡

研究人員將于十月在馬德里召開的智能機(jī)器人國際會議上展示機(jī)器人的無視覺能力。除了盲目運(yùn)動之外，團(tuán)隊還將展示機(jī)器人改進(jìn)后的硬件，包括與它的前輩獵豹2機(jī)器人做對比。在一個擴(kuò)大的運(yùn)動范圍內(nèi)，它允許機(jī)器人向后和向前伸展，并且從一邊扭動到另一邊，就像貓蜷縮起來準(zhǔn)備猛撲一樣。

在未來幾年內(nèi)，Kim設(shè)想將讓機(jī)器人執(zhí)行那些危險系數(shù)很高的、人類無法承擔(dān)的任務(wù)。

Kim表示：“Cheetah 3被設(shè)計來完成多方面的任務(wù)，如電廠檢查，這涉及到各種地形條件，包括樓梯、路障和地面上的障礙物。我認(rèn)為有無數(shù)的場合我們想讓機(jī)器人代替人類來完成簡單的任務(wù)。危險、骯臟和困難的工作也可以通過遙控機(jī)器人更安全地進(jìn)行?！?/p>

Cheetah 3三只腳就能保持平衡

Cheetah 3可以不靠視覺地爬上樓梯以及通過非結(jié)構(gòu)化地形，并能在面對巨大力量的時候迅速恢復(fù)其平衡，這都得益于由Kim團(tuán)隊開發(fā)的兩個新算法：接觸檢測算法和模型預(yù)測控制算法。

接觸檢測算法有助于機(jī)器人確定它的腿從空中擺動到踏到地上的最佳時間。例如，如果機(jī)器人踩在一根細(xì)枝上，而不是一塊堅硬的石頭上，它是如何反應(yīng)的，以及它是如何繼續(xù)前進(jìn)的。

Kim表示：“當(dāng)涉及到從空中切換到地面時，切換必須做得很好。這個算法的意義是‘什么時候才是我腳落地的安全時間？’“

接觸檢測算法幫助機(jī)器人確定在擺動和步幅之間轉(zhuǎn)換腿的最佳時間，通過不斷計算每個腿的三個概率：腿與地面接觸的概率，腿部撞到地上產(chǎn)生的力的概率和腿在中轉(zhuǎn)時的概率。該算法基于陀螺儀、加速度計和腿的關(guān)節(jié)位置的數(shù)據(jù)來計算這些概率，記錄腿相對于地面的角度和高度。

例如，如果機(jī)器人意外踩到木塊上，它的身體會突然傾斜，它的角度和高度也會偏移。該數(shù)據(jù)會立即被輸入進(jìn)去并計算每條腿的三個概率，該算法將評估出每個腿是否應(yīng)該落地，或者抬起和擺動以此來保持其平衡——盡管機(jī)器人實際上是看不見的。

Kim表示：“如果人類閉上眼睛邁出一步，我們會有一個心理模型來預(yù)測可能的位置，并為之做好準(zhǔn)備。但我們會恐懼于那種未觸地的那種感覺，因此我們通過組合多個信息來源來確定過渡時間，機(jī)器人也可以做同樣的事情?！?/p>

研究人員在實驗中測試了這一算法，Cheetah 3在實驗室跑步機(jī)上小跑并爬上樓梯。當(dāng)然這兩個地方都被研究人員擺滿了亂七八糟的東西，比如木塊和卷尺。

Kim說：“它不知道每一步的高度，也不知道樓梯上有障礙物，它只是在不失去平衡的情況下通過。”，“沒有這種算法，機(jī)器人會非常不穩(wěn)定，并且很容易掉落?！?/p>

機(jī)器人的盲目運(yùn)動一部分也得益于模型預(yù)測控制算法，它會預(yù)測一旦給定一個行為步驟，它應(yīng)該施加多少力。

Kim說：“接觸檢測算法會告訴你‘現(xiàn)在是在地面施加力量的時候了’，但是一旦你到地面上了，就需要來計算用什么樣的力量才能以正確的方式移動身體?！?，“假設(shè)有人側(cè)身踢機(jī)器人?！?，“當(dāng)腳已經(jīng)在地上時，算法決定‘我應(yīng)該如何使用腳上的力？因為我左邊有一個不希望達(dá)到的速度，所以我想在相反的方向施加一個力來殺死那個速度。如果我在這個相反的方向上應(yīng)用100牛頓，那么半秒鐘后會發(fā)生什么？’“

該算法被設(shè)計為每條腿每50毫秒或每秒20次進(jìn)行這些計算。在實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)不管是在跑步機(jī)上踩踏機(jī)器人還是在它爬上有障礙物的樓梯時用皮帶猛推，模型預(yù)測算法都使機(jī)器人能夠快速產(chǎn)生反作用力來恢復(fù)平衡并繼續(xù)向前移動，而不會向相反方向傾斜太遠(yuǎn)。

Kim表示：“這得益于預(yù)測控制，可以將正確的力量應(yīng)用到地面上，結(jié)合這種接觸過渡算法，使每個接觸變得非常快速和安全?！?/p>

該小組已經(jīng)向機(jī)器人添加了攝像頭，使機(jī)器人能夠?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行視覺反饋。該小組正在努力進(jìn)一步改善機(jī)器人的盲動。

Kim說：“我們需要一個非常好的沒有視覺的控制器。”，“當(dāng)我們增加視覺，即使它可能給你錯誤的信息，腿應(yīng)該也能夠處理遇到的障礙。因為如果它踩到相機(jī)看不到的東西怎么辦？它會做什么？這就是盲動可以幫助的地方?！?/p>

這項研究在一定程度上得到了納弗、豐田研究所、富士康和空軍科研辦公室的支持。