下樓成功率100%！這個(gè)“盲人”機器人無(wú)需傳感器，全憑“感覺(jué)”，也能上下樓梯自如

作者：Caleb

對于大多數人來(lái)說(shuō)，眼睛是居家旅行必備。

但盲人可能需要依靠多方位感知，比如聽(tīng)覺(jué)等。

這如果換算到機器人身上，就意味著(zhù)安裝各種傳感器，給予它們“視覺(jué)”。

可是，盲人沒(méi)有視覺(jué)可以繼續生活，機器人要是沒(méi)了“視覺(jué)”，還能正常工作嗎？

在機器人界，流傳著(zhù)這么一句話(huà)，你們人類(lèi)做得到的事，我們機器人也都能做到。

于是，這個(gè)由俄勒岡州立大學(xué)動(dòng)態(tài)機器人實(shí)驗室于2017年完成的“盲人機器人”Cassie就誕生了。

Cassie到底有多“盲”呢？

研究人員表示，Cassie在爬樓梯的時(shí)候，沒(méi)有使用任何計算機視覺(jué)或傳感器技術(shù)，而是完全依賴(lài)于Cassie的“本體感受”或身體意識，向上或向下移動(dòng)，就像人類(lèi)一樣。

在俄勒岡州立大學(xué)，“盲人”Cassies進(jìn)行了上下樓梯、在不平坦路面行走的訓練，結果顯示，在10個(gè)試驗中，Cassies上樓梯的成功率是80％，下樓梯的成功率達到了100％。

我們還是先來(lái)看看Cassies的“翻車(chē)”實(shí)錄，可以看到，在第七次實(shí)驗中，Cassies上第二步臺階時(shí)，右腳明顯沒(méi)踩穩，從而失去了重心，直接倒在了地上：

不過(guò)除此之外，Cassies的表現都算可圈可點(diǎn)。

最近發(fā)表于A(yíng)RXIV上發(fā)布的一篇論文中，研究人員解釋到，Cassie可以在樓梯上測試前，工程師們對其進(jìn)行了虛擬培訓 ，使用了一種稱(chēng)為“從模擬到真實(shí)的強化學(xué)習”技術(shù)（sim-to-real reinforcement learning）。

論文鏈接：

https://arxiv.org/pdf/2105.08328.pdf

更靠近人類(lèi)行走模式的Cassie機器人

研究人員表示，機器人爬樓梯已經(jīng)不是什么新鮮事兒了，只要給機器人安裝上攝像機，利用計算機視覺(jué)，機器人也能和人類(lèi)一樣上下樓梯自如。

但現實(shí)情況并非總是如此理想，比如在燈光昏暗的時(shí)候，輸入的視覺(jué)數據可能就不是最優(yōu)解。

因此，他們希望開(kāi)發(fā)Cassie這種僅使用“本體感受”或身體意識，來(lái)行走或者上下樓梯的機器人，也就是說(shuō)，更靠近人類(lèi)行走的方式。

這也不是Cassie第一次進(jìn)行類(lèi)似的行走訓練了，不過(guò)之前大多是在平地上或小坡上。如今，研究人員發(fā)現，通過(guò)隨機的交互訓練，也足以讓Cassie學(xué)習穩健的行走方式。

用于訓練的樓梯是隨機的。每組樓梯有1到8個(gè)單獨的臺階，每級臺階的高度在10厘米到21厘米之間，或24厘米至30厘米之間。小量的噪音（±1厘米）被加入到系統中，這樣臺階就不會(huì )完全統一。

在這樣的情況下，研究人員仍然發(fā)現，Cassie可以輕而易舉地上下樓梯，盡管下樓梯的時(shí)候會(huì )出現兩步并作一步的情況，但就整體表現和其平穩程度來(lái)看，都是相當值得鼓勵的。

在俄勒岡州立大學(xué)的一小段階梯的實(shí)驗中，Cassies上下樓均有不俗的表現，在10次反復測試中，Cassies上樓梯的成功率是80％，下樓梯的成功率達到了100％。

研究人員表示，據他們所知，這是雙足人型機器人的第一個(gè)控制器（controller），其能很好地支持機器人通過(guò)“本體感受”穿越于現實(shí)世界的樓梯及其他類(lèi)似的干擾中。

當然，Cassie也存在一些限制，比如它需要保持恒定的速度，如果在樓梯上太快或太慢，都會(huì )讓機器人不知所措。

該小組寫(xiě)道：“這項工作證明了‘盲人機器人’驚人的運動(dòng)能力，但也留下了問(wèn)題，即它們的極限在哪?！?/p>

從科學(xué)演示到實(shí)用性，Cassie的迭代之路尚未停止

Cassie由俄勒岡州立大學(xué)的動(dòng)態(tài)機器人實(shí)驗室于2017年開(kāi)發(fā)。

從上面的圖片中可以看出，Cassie沒(méi)有“頭”，其臀部具有三個(gè)自由度，允許雙腿向前和向后移動(dòng)，還可以同時(shí)旋轉。此外，Cassie的動(dòng)力式腳踝使它可以無(wú)需踱步就能長(cháng)時(shí)間地站立就位。

Cassie的項目組由紅極一時(shí)的雙足機器人ATRIAS的開(kāi)發(fā)人員組成，其開(kāi)發(fā)公司Agility Robotics聯(lián)合創(chuàng )始人Jonathan Hurst表示，Cassie是下一代機器人，旨在吸收從ATRIAS項目中學(xué)到的所有知識，并將其構建到功能更強大，更實(shí)用的平臺中。

ATRIAS是第一臺展示人的步態(tài)動(dòng)力學(xué)，并實(shí)現彈簧質(zhì)量行走的機器人，其可再現人的行走的地面反作用力和質(zhì)心運動(dòng)。但是，除了這些科學(xué)演示以外，ATRIAS沒(méi)有其他的實(shí)用價(jià)值。

其實(shí)，在A(yíng)TRIAS的設計中，還存在很多未知數。

研究人員從ATRIAS過(guò)程中學(xué)到了一些關(guān)鍵知識，比如，ATRIAS上的支腿配置為4桿聯(lián)動(dòng)裝置，部分目的是為彈簧質(zhì)量模型實(shí)施產(chǎn)生最小的慣性。但是，這種配置會(huì )導致一臺電動(dòng)機在另一臺電動(dòng)機上起制動(dòng)器的作用，電動(dòng)機內部會(huì )產(chǎn)生大量功率循環(huán)。

經(jīng)過(guò)分析，研究人員所開(kāi)發(fā)出的Cassie的特定腿部配置，能夠使電機體積更小，并且效率比ATRIAS高得多。

密歇根大學(xué)工程學(xué)教授Jessy Grizzle獲得了首批Cassie機器人的使用權，根據使用體驗，他對Cassie的耐用性尤其興奮，“Cassie很堅固，它是專(zhuān)為實(shí)驗機器人的艱苦生活而設計的。原則上，我們不必使用任何類(lèi)型的安全門(mén)架，這使得我們能夠將機器人帶到野外去”。

正如Cassie本就設計為一種實(shí)用機器人一樣，Cassie會(huì )出現于搜索和救援以及救災等各種緊急危險場(chǎng)景，同時(shí)，Cassie也能擔任快遞小哥的職位，進(jìn)行送貨上門(mén)的服務(wù)。

Hurst表示，手臂和傳感器也即將安裝到Cassie身上，這將使Cassie能夠跌倒后自行站起來(lái)，并且公司還在致力于研究遠程VR式的呈現。

如今社會(huì )上很多空間的設計都是為了服務(wù)以人類(lèi)為代表的雙足運動(dòng)，也就是說(shuō)，如Cassie般的雙足機器人可能會(huì )成為未來(lái)最有價(jià)值也最可靠的機器人模型。

我們也非常期待看到更多服務(wù)社會(huì )的雙足機器人邁著(zhù)穩健的步伐走來(lái)。

相關(guān)報道：

https://www.engadget.com/a-bipedal-robot-has-learned-to-tackle-stairs-blind-102647481.html

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/agility-robotics-introduces-cassie-a-dynamic-and-talented-robot-delivery-ostrich

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-9596871/Blind-robot-learns-navigate-flight-stairs-time-feeling-way.html