比爬楼梯更难伯克利CMU让双足机器人在乱石间跨越行走

新智元导读】最近，加州大学伯克利分校和卡内基梅隆大学的科研团队展示了ATRIAS足式机器人在随机变换障碍地形中的行走能力。这款机器人仿佛拥有了人类的直觉与智慧，即便面对踏脚石高度和宽度随机变化的挑战，也能轻松自如地行走，完美跨越障碍。

一直以来，腿（足）式机器人需要模拟人类及大多数陆地动物的行为，在崎岖不平的地形上自如移动，以便在灾难响应、搜索和救援等领域发挥重要作用。设计能够在离散立足点上如履平地（例如碎石或踏脚石）的控制算法却极具挑战性。这是因为对脚的放置有着严格的约束，并且这些系统的运动受到复杂的动力学方程控制。

加州大学伯克利分校和卡内基梅隆大学的实验室凭借前沿技术实力，展示了ATRIAS机器人在踏脚石上行走的全过程。即使在步长和步高同时随机变化的情况下，ATRIAS机器人依然可以像人类一样行走自如。这一切得益于其对于最佳和非线性控制系统最新进展的巧妙运用。

这款双足机器人行走的灵活性让人叹为观止——“一步一个脚印”。它似乎能完美适应地面上的各种变化，如步长和步高的动态调整等。这种强大的适应性得益于加州大学伯克利分校Hybrid Robotics Group所开发的先进控制框架。这一框架不仅确保了机器人在离散地形上的精确步进位置，还能对不确定性和外部力量进行智能建模。值得一提的是，这些控制方法并不依赖于特定的机器人本身，而是在各种机器人模型上进行了广泛的测试，包括RabbIT、ATRIAS和DURUS等。

更令人惊叹的是，这些机器人并不需要提前了解地形情况。每一步的位置信息都是实时显示的，这意味着机器人在现实世界中面对复杂多变的环境时也能游刃有余。研究团队通过在ATRIAS双足机器人平台上进行实验测试验证了这一点。在随机变化的离散地形上，它能实现动态步行，步长在30到65厘米之间灵活调整，步高也能上下浮动22厘米，同时保持平均步行速度为0.6米/秒。这一切成就标志着双足机器人在动态环境中首次实现了步长和步高的同步调整并成功行走。

那么为什么离散行走在机器人设计中如此困难呢？关键在于双足机器人是一个高度自由的系统，其运动受到复杂的非线性微分方程的控制。团队使用的机器人如ATRIAS是欠驱动的这意味着机器人的脚踝没有驱动器仅有定点脚这要求机器人像人类一样在行走中不断适应环境并保持平衡特别是面对随机变化的踏脚石环境更是如此此外机器人的物理限制条件如电机扭矩限制和摩擦力等也给控制设计带来了挑战所有这些限制条件相互作用使得设计一款能在离散地形上自如行走的机器人变得异常复杂

尽管如此研究团队仍然取得了令人瞩目的成果特别是在解决“踏脚石问题”（stepping-stones problem）方面他们已经在Valkyrie和ATLAS等机器人上取得了重大突破为未来的机器人技术发展铺平了道路这无疑是科技领域的一大里程碑事件未来我们有理由期待更多类似技术的诞生与成熟以及它们在现实生活中的广泛应用为我们的生活带来更多便利与惊喜。该团队的独特之处在于，他们专注于研究机器人的动态行走方式，摒弃了常见的较慢的准静态运动模式。借助系统动力学中的非线性推理，结合最优和非线性控制技术的最新成果，他们成功地为机器人指定了控制目标和期望行为，并提供了稳定性和安全性的双重保障。这使得他们的机器人能够在复杂多变的地形上自如行走，而不会发生滑倒或摔倒的情况。

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展望未来，该团队有望研发出完全自主的系统。虽然目前，他们的机器人还需要接收关于周围环境的信息，比如下一个踏脚石的位置，但团队正在积极整合计算机视觉算法，包括深度分割和控制器的深度学习。这些技术将使机器人具备推理周围环境的能力，从而实现完全自主化。随着新机器人Cassie即将抵达伯克利，团队计划将实验结果扩展到真实世界的踏脚石上进行3D行走。

从长远来看，这项研究的成果将有助于双足机器人在各种环境中的自主导航，无论是室内还是室外。研究的关键在于安全性、鲁棒性和敏捷性。他们希望机器人能够行走在“正确”的位置，防止坠落，同时对突发情况和干扰展现出强大的适应性。

这种技术的潜在应用前景广阔。例如，在搜索和救援行动中，可以部署自动人形机器人代替人类冒险；帮助探索其他行星的未知区域；或是在家中作为个人助手提供服务。两足机器人的开发方法也可以应用于增强人类的机器人设备，如下肢外骨骼等领域。

新智元编译

来源：IEEE spectrum

编辑：克雷格