VR、AI等新技術如何在機器人控制領域應用的

原標題：VR、AI等新技術如何在機器人控制領域應用的

複雜機器人的運動控制，一直阻擋機器人產業發展的老大難問題，遲遲沒有得到很好的解決。即便是代表機器人最高水平的波士頓動力，其機器人離實用也還遠。近兩年發展迅猛的AI，儼然如萬金油般，被用在各種地方，自然也包括機器人控制領域，而且似乎取得了不錯的效果。前端時間，UCberkely的強化學習專家Pieter Abbeel創辦了Embodied Intelligence，業務更是直接涵蓋了VR、AI、機器人三大熱點。

為了搞清楚VR、AI等新技術如何在機器人控制領域應用，本文根據一些相關論文和公開資料，包括Pieter Abbeel的演講，對VR和AI在機器人控制方面的應用進行了簡單梳理，發現AI和VR等在機器人控制等方面還是有實在的應用，只不過離取得實質性突破，還有相當長的距離。

機器人控制的幾種類型

很多機器人的研究目標很多是模擬人的智能，所以研究人的控制系統，對於機器人有很大的借鑒意義。人體的神經系統由大腦、小腦、腦幹、脊髓、神經元等共同構成，複雜而又完善。人體神經系統包括中樞神經系統和周圍神經系統。中樞神經系統由腦和脊髓組成，是人體神經系統的最主體部分。周圍神經系統是從腦和脊髓發出的分布到全身各處的神經。無數的神經元存在於神經系統各處，構成神經網路。

AI在機器人運動控制領域應用盤點

中樞神經網路負責運動控制，主要分成三層：

大腦：居於最高層，負責運動的總體策劃，各種任務的下達。

小腦：居於中間層，負責運動的協調組織和實施。人體平衡由小腦控制。

腦幹和脊髓：屬於最低層，負責運動的執行，具體控制肌肉的骨骼的運動，由腦幹和脊髓完成。

三層對運動的調控作用不同，由高到低，低層接收高層的下行控制指令並具體實現。大腦可直接也可間接的通過腦幹控制脊髓運動神經。

如果把機器人與人進行類比，機械臂控制器就類似於人的脊髓，負責控制電機(肌肉)和機械機構(骨骼)的具體運動，多足機器人的運動控制器，就類似於人的小腦，負責控制平衡和協調。而機器人的操作系統層，則類似於人的大腦，感知和認知世界，並下達各種複雜的運動目標。

基於以上類比，參照目前的各類機器人的情況，機器人的運動控制大概可以分成4種任務：

脊髓控制——機械臂運動的基礎控制。工業機器人，各類機械臂，無人機的底層運動控制等面臨的主要是這類問題。

小腦控制——多足機器人的平衡和運動協調控制。這塊目前是機器人控制仍未突破的難點，目前做的最好的顯然是波士頓動力。

大腦控制——環境的感知。主要是掃地機器人、無人機等底層運動控制已經封裝好的機器人的導航和路徑規劃。需要通過環境感知，對自身和目標進行定位、導航和運動規劃。

大腦控制——環境的認知和交互，也就是機器人具體執行交互任務，如控制機械臂抓取物體，執行操作等。這是服務機器人需要突破的重要問題。

幾種具體控制的AI應用情況

1.脊髓控制類

脊髓控制的兩種典型的應用是機械臂路徑規劃和無人機的飛行控制。這類問題屬於傳統自動控制理論，以數學和動力學建模為基礎，發展了很多年，已經有了非常完備的理論和實踐基礎，也取得了很好的效果。雖然深度學習在最近很熱，理論上也可以用於這類控制。但目前在這類基礎控制領域，並沒有應用。主要原因可能有：

1)工業機器人高精度重複特定動作等，基於自動控制理論已經能從數學上很好的解決，且由於了解原理，屬於白盒系統。既然有可靠的白盒方案，沒必要換成黑盒的神經網路控制系統。

2)工業機器人等應用領域，對控制演算法穩定性要求很高。而作為黑盒方案的神經網路控制系統，數據上還無法證明其穩定性。神經網路控制器一旦發生問題，難以進行解釋和改進。

3)神經網路演算法基於大量數據訓練，而現有的運動控制中，比如飛控，拿到實際實驗數據的成本高，大量數據的獲取非常困難。

2.小腦控制類

小腦控制典型問題是類人型雙足和多足機器人的平衡和運動協調控制問題。這方面一直是基於傳統控制理論在進行研究，不過由於相比於機械臂或無人機，其運動的自由度高很多，難度很大。雙足類人機器人給人大多數的印象還是運動遲緩、僵硬、站不穩。波士頓動力的Altas、大狗等已經是在這方面最先進的，波士頓動力學公司並未公布他們使用的技術，但谷歌工程師Eric Jang表示，根據從演講得來的信息，BD的機器人控制策略使用基於模型的控制器，並不涉及神經網路相關演算法。

3.環境感知類

主要的場景是服務機器人的路徑規劃、無人機目標追蹤、工業機器人的視覺定位等，通過感知環境，給封裝好的運動控制系統下達目標運動指令。

目標識別

環境感知過程中的目標識別，如無人機目標的識別和追蹤等，有神經網路的幫助，可以識別的更準確，已經在大疆等無人機上應用。

定位導航和路徑規劃

目前機器人的定位導航，主要基於流行的vSLAM或激光雷達SLAM技術。主流的激光雷達方案大概可以分三步，中間部分環節可能涉及到一些深度學習，大部分內容並不涉及深度學習相關。

第一步：SLAM，構建場景地圖，用激光雷達構建場景的2D或3D點雲，或者重建出3D場景。

AI在機器人運動控制領域應用盤點

第二步：構建語義地圖，可能會對物體進行識別和分割，對場景中的物體進行標記。(有的可能略過這一步)

第三部：基於演算法進行路徑規劃，並驅動機器人的運動。

AI在機器人運動控制領域應用盤點

4.環境交互

典型應用場景：機械臂抓取目標物體等。與環境的交互，一直是傳統自動控制難以解決的問題。近年來，以強化學習為基礎，AI相關技術用在了這類問題上，取得了一定的研究進展，但是否是未來的主流方向，仍存在很大爭議。

1)強化學習

強化學習框架中，有一個包含神經網路的Agent負責決策。Agent以當前機器人感測器所採集到的環境為輸入，輸出控制機器人的行動命令action，機器人行動後，再觀察新的環境狀態和行動帶來的結果Reward，決定下一步新的行動action。Reward根據控制目標進行設置，並有正反向之分。例如，如果以自動駕駛為目標，正向的Reward的就是到達目的地，反向就是不能達到目的地，更不好的Reward就是出車禍。然後重複這個過程，目標是最大化Reward。

AI在機器人運動控制領域應用盤點

強化學習的控制過程，本來就是個正向反饋的控制過程，是AI用於機器人控制的基礎。以此為基礎，強化學習在機器人控制方面出現了一些研究成果。

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