機器人實現類人平衡力！全新演算法擺脫摔倒魔咒

它學會了先試一試再決定怎麼邁下一步

如果有人統計一下人們對雙足機器人的第一印象是什麼，「容易摔倒」絕對會名列前三。

但是，新一代的雙足機器人絕對會讓你大吃一驚。如今，它們不但可以平衡的行走，甚至還可以越野了。

通過一種新的控制演算法，美國佛羅里達州人機認知研究所（Florida Institute for Human and Machine Cognition, IHMC）的機器人實驗室實現了擬人的平衡能力。

該演算法的測試使用了波士頓動力公司（Boston Dynamics）的Atlas機器人，在演算法的控制下，Atlas現在可以平穩的走過一段崎嶇不平的水泥磚路。從動圖中我們可以看到，Atlas的行為和人類基本無差：首先把腳輕輕地踩上去，判斷地面的承受能力，接著通過調整身體和手臂來實現平衡。

在解釋此項技術的論文中，研究人員表示「機器人通過對足中心施展壓力來探索接觸面，根據探索階段中足的旋轉勾畫出可以受力的平衡點」。通過探索和計算，機器人可以決定如何「踩下去」。它還會通過上身的運動，比如揮胳膊，來保持或找回平衡。在測試中，它可以走過崎嶇不平的水泥磚路。

當機器人走過崎嶇度較小的碎石地面時，通常依靠腳踝的轉動適應地面斜度而保持平衡；然而，當地面崎嶇度比較尖銳時，依靠腳踝轉動適應地面極易達到踝關節轉動極限，從而導致機器損壞。

機器人走過尖銳的線接觸或點接觸地面示意圖：首先保持足部接近水平方向而非嚴格適應地面斜度，然後逐步轉動腳踝變換有效接觸面法線方向防止足部滑落。

新的控制演算法中，研究者控制機器人腳部接近水平方向而非嚴格與地面斜度一致，為了保持平衡，利用位置控制保持腳部方向平行於接觸線，並利用垂直於接觸線的轉矩來變換接觸線上的壓力中心（CoP）。通過轉動腳踝，隨之變換有效的接觸面法線方向從而防止足部滑落。

預估地形落腳點及最佳壓力中心（CoP）

預估當前地形對於機器人平衡和行走時如何放置壓力中心（center of pressure，CoP）十分重要。當地形狀況未知時，機器人每走一步都需要預估下一步的落腳點。

首先假設整個足部接觸地面，然後機器人開始在落腳點區域計算其足部的局部壓力中心，如果預期壓力中心（Desired CoP）位於足部受地面支撐的區域，那麼精確的壓力中心將十分接近該預期壓力中心；然而，當預期壓力中心位於足部未受地面支撐的區域，則需要旋轉足部腳踝改進對地形的預估，也即是除去這部分不能支撐重量的落腳點部分。研究者通過測量腳踝轉動速度，或者基於腳步及地面幾何形狀來探測腳部的轉動運動。

模擬圖：Atlas機器人走過隨機方向的線性踏腳石（上圖），以及點狀落腳點（下圖），每走一步都會預估新的落腳點，控制演算法相應的調整機器人步伐。

Atlas機器人從左向右行走（俯視圖）的地面參考點實際數據：黑色多邊形指線擬合的落腳點區域，紅點指預期的瞬時捕捉點（Desired ICP），藍點指實際瞬時捕捉點（ICP），綠點指的是機器人的質心矩軸(CMP)。

研究人員表示，他們的成功「將會使雙足機器人在真實世界裡更有實用價值」。當然，和人類一樣，機器人的判斷也可能是錯誤的。但是研究人員已經開始研究如何確保機器人可以安全的摔倒，像人類一樣，不會輕易地因為摔一跤而摔傻了（摔壞電路板）。