喬治亞理工研發出模仿人類步態的機器人

圖片來源：AMBER實驗室／喬治亞理工學院

在去年的 DARPA 機器人挑戰賽（ DRC）決賽上，SRI 的機器人 DURUS 僅靠一塊電池緩慢而平穩地走了兩公里，耗時超過兩個半小時。這項成就意義重大：DARPA 已經認識到原始版本的 ATLAS 實現起來是極其困難的（至少在移動（ locomotion）方面），所以他們贊助了兩個不同的團隊，一個來自 SRI，另一個來自 Sandia，讓他們設計出行走效率高 20 倍以上的類人機器人。SRI 的 DURUS 已離這個目標非常接近了，通過硬體軟體，特別是步態控制（gait control）的創新結合，它實現了僅有 1.5 的傳送成本（cost of transport）。Aaron Ames 教授的工作就是陪這個機器人「玩耍」，他去年大部分時間都用在了把他的先進機械二足試驗機器人實驗室從德克薩斯農工大學搬到喬治亞理工學院上了。所以自從 DRC 以後我們還沒有聽說任何有關 DURUS 的重要進展。聽起來他們已經在幾個月前安頓了下來，並開始了研究進程，而他們現在已經準備好展示一項新的重要成果了：DURUS 現在可以幾乎像人類一樣行走了，而且還是穿著正常的（而且時髦的）人類鞋子。你也許還記得在 DRC 決賽上，我們問過 Ames 他接下來準備給 DURUS 添加什麼樣的新能力。排在他清單最上面的（就在「更好更好更好」和「更快更快更快」之後）就是更自然的足部行為，包括像人類一樣的腳後跟和腳尖的連接方式。看看他們是怎麼炫耀的吧：

視頻後面一前一後的對比讓我們看到 DURUS 的步態與正常人類的走路姿態有多麼相近。我們見過的能像這樣走路的其它類人機器人也就只有波士頓動力（Boston Dynamics）的 PETMAN 了：

不錯嘛，但還存在為 PETMAN 提供外接能源的相當顯眼的臍帶的一些小問題。它能提供非常充足的外接能源。比 DURUS 移動所耗費的能量還要高一個數量級。公平地說，PETMAN 並沒有被設計成高效的，它也能做很多 DURUS 做不到的技巧動作，比如抵抗外界的推搡，而且它還有胳膊和頭部。喬治亞理工學院的 Aaron Ames 說：「我們把 DURUS 的同樣的基礎技術轉移到了假肢和外骨骼上，可以給那些行動不便的人提供自然和有效的運動能力。」

DURUS 還有更好的鞋子，而且它能不依靠任何外加約束地運行更長的周期的這個事實意義非常重大。如果我們希望機器人能在實驗室之外為我們做一些實際的事情，它們就必須具備在有效時間內獨立運行的能力。DURUS 被拴起來是為了安全，而不是為了能量輸入。它行走的傳送成本（cost of transport）為 1.4，已經比我們在 DRC 決賽上看到的 1.5 低了，這要歸功於新的類人步態（human-like gait）。Ames 說：「人類走路最關鍵的特點就是每走一步足部的轉動方式；即腳尖先推進，然後腳後跟著地。」絕大部分類人機器人，即使像ATLAS、ASIMO、HUBO 和 HRP 這種高端型的，都沒有嘗試去模仿這種步態。它們走路用的是又大又平的腳掌，通過與地面的大面積接觸提供最大化的穩定性，採用的是奇怪的非常機器人化的半蹲姿勢，這是為了讓重心儘可能地位於它們巨大的腳掌之上，否則就很容易翻到。喬治亞理工學院的 DURUS 的獨特之處在於他們的開發建立在一個廣義的數學框架上，不需要任何約束條件和假設，比如平板大腳提供的靜態穩定性。擺脫了這些限制，你就可以簡單地把你自己的要求加到這個框架上，比如類人的後跟－腳尖步態，然後機器人就會把它實現。這就讓 DURUS 具備了更靈活並且看起來更自然的步態，從而同時大大提高了速度和效率，Ames 解釋說：

「在很多方面，這些結果都是我們在 DRC 公布的技術的自然延伸。數學框架還是一樣的，但是我們給他擴展出了更先進的行為。而且我們也有了對如何穩定這種更靈活和複雜步態的更多理解（數學上和實踐上的都有）；比如，現在的走路速度是在 DRC 上展示時的兩倍，這要求所有方面都達到更高的水平。但說到底，我們用的是同樣的數學框架，這個事實說明了這種方法的可擴展性。」

DURUS 的高效是軟體和硬體結合的結果。在硬體方面，它們有強壯的踝關節彈簧，用來在每一步儲存並釋放能量，並且在地面上推進時，它的設計也能讓腳部移動更順暢。然而在基礎層面上說，這些也只是可以被數學框架在驅動機器人運動時所利用的元素，這意味著你可以用同樣的框架控制硬體不同的機器人。而且根據 Ames 的解釋，還不僅僅是像 DURUS 這樣的類人機器人：

「這個項目的一個特別目標就是開發出一個通用的控制範式，可以用於類人機器人，同時也可以用到假肢和外骨骼上。這同樣也會促進類人機器人的類人步態的發展。DURUS 用的技術可以移植到假肢和外骨骼上，讓行動不便的人獲得自然且高效的運動能力。」

AMBER 實驗室的研發得到了美國國家科學基金會（National Science Foundation）的國家機器人基金的贊助。

同時 DURUS 將會繼續忙於學習新的動態行為，Ames 告訴我們：

「類人機器人表現出的步態自然的類人行走能力只是這個框架潛能的一個展現。我們計劃可以得到更先進的行為——比如奔跑。但要實現這一點，我們必須能應付未知的起伏不平的地形、階梯、以及其它複雜的狀況。這全部都是我們未來要做的工作，而且也是機器人向野外進發的必備技能。」

DURUS 的平面運動（束縛的）版本已經展現出了的類人的奔跑行為，我們已經等不及要在無支撐的機器人身上實現這種能力了。而且這真的是關鍵——使用 AMBER 實驗室正在開發的統一的控制和設計框架，你可以用不同的硬體產生不同的行為，這會讓我們開發各種各樣的機器人變得更實際——從大型行走機器人到更低層次一點的身體輔助外骨骼和假肢系統。DURUS 的工作就是通過探索更穩健的移動和種類更多的步行姿態的來促進這一開發過程，根據 Ames 的說法：「這是搞清楚如何實現類人機器人在我們中間自如行走這一宏偉圖景的第一步。」

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