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不使用照相机、雷达、地图,双足机器人走路都是“我认为”

来源:河洛网    发布时间:2021-07-18     发布人:洛阳新闻网

双足机器人价格昂贵、复杂、易碎。 仅从平衡来看,双足站立和步行比四足要难得多,但由于双足步行机器人与人类相似,仍有许多研究者致力于双足步行机器人的开发。

不使用照相机、雷达、地图,双足机器人走路都是“我认为”

对机器人(双足机器人、四足机器人、履带式机器人等)来说,爬楼梯一直是一个巨大的挑战。 双足机器人上下楼梯需要很多感知和计算,几乎在实验阶段都相当脆弱,有可能跌倒或失败。

解决双足机器人走楼梯问题的一种方法是模拟楼梯和规划脚步的路径需要更好的感知能力和更多的计算 最近,来自俄勒冈州立大学和Agility Robotics的研究者只将双足机器人Cassie随机扔向室外楼梯,完全没有感知就完成了走楼梯的任务,并提出了有效的方法。 这篇论文将于7月在RSS(Roboticsscienceandsystems ) 2021上发表。

论文地址: https://arxiv.org/pdf/2105.08328.pdf

双足机器人Cassie上下楼梯的效果如下,研究人员为Cassie配备了安全绳索。 但是,为了防止机器人“毁灭性的掉落”,绳索依然松弛:

凯西也可以横穿马路:

复杂的环境也能行走,但却绊倒了:

但是,凯西有时也会跌倒:

双足步行机器人Cassie

需要注意的是,凯西没有感知到。 也就是说,他们不知道爬楼梯和下楼的信息。 但是,这个机器人可以自己反馈。 也就是说,我知道自己的肢体和楼梯是怎么接触的。 另外,由于安全绳索松动,Cassie没有得到任何额外的帮助,安全绳索只是为了防止机器人的毁灭性掉落。

实验中,凯西经历了很多坎坷。 撞到扶手,脚趾骨折,从楼梯上滑下来,完全没有踩楼梯,偶尔会后退。 但令人惊讶的是,凯西还能去该去的地方。

凯西没有踩楼梯,但站起来继续执行任务。

这就是这项研究如此令人兴奋的原因,与其开发依赖高质量感知和大量计算的完美的阶梯系统,不如在包含现实世界限制的情况下实现这个目标。 这即使不是最优雅的,在现实世界中也是稳健的。

研究人员利用强化学习方法,根据典型的城市建筑规范,训练模拟Cassie走楼梯,楼梯设有8个台阶。 为了将学习的爬楼梯战略从模拟有效地转移到现实世界,该研究对模拟设置了各种干扰。 这些干扰用于表示难以进行正确模拟的各种现实事物。

例如,Cassie模拟跌倒时的混乱、步行速度的调整、地面摩擦引起的摇晃等。 因此,仿真不能完全模拟实际的现实环境,但随机混合仿真保证了机器人在各种情况下的控制器是鲁棒的。

使用强化学习训练机器人的一个特殊之处是,即使提出了非常有效的方法,有时也不知道其确切的原因。

论文的第一作者Jonah Siekmann说,他观察到Cassie上楼时,走得越快越好。 这对机器人来说是违反直觉的:

凯西没有视觉能力,所以选择踏脚石的时候很不好。 如果把脚放在楼梯的一角,试图将重心转移到那只脚上,结果会从楼梯上掉下来。 这在步行速度方面不是大问题。 因为凯西的动力系统可以克服短暂瞬间的向后移动(也就是说在某种程度上可以避免跌倒)。 在低速状态下,这个动力系统不足以克服坏的落地点带来的问题,会一直撞到楼梯直到跌倒。 在高速状态下,机器人经常跳过楼梯,接近或超过凯西的极限。

Siekmann说,糟糕的落点导致了Cassie“冒险行为”。 他说:“有时,凯西在下降中跳过1~3个楼梯,然后恢复到下了正常楼梯的状态。 这特别令人吃惊。 凯西上楼时绊倒了,又爬了起来。 由于这个物理过程很复杂,嵌入在所学习的控制器中的确切反应非常令人兴奋。 我以前从没见过这样的鲁棒性。 “”

比较凯西上下楼梯是否比蒙着眼睛的人好,研究人员说这很难。 Siekmann先生多次开玩笑说:“凯西在爬楼梯方面是超人。 因为拍摄这些视频的过程中必须集中精力拍摄凯西,所以在上楼的过程中多次绊倒。 “”

虽然在执行动态任务时,比人类优秀的机器人显然是非常高的标准,但是很多人实际上可能并不像凯西那样做盲目楼梯导航的准备。 因为凯西自己是基于楼梯训练的,为了避免楼梯完全均匀,在训练中加入了少量的“噪音”,让凯西从本体的感觉上导出楼梯的准确尺寸,避免过度拟合完美统一的楼梯。

实际上,人类闭上眼睛想爬楼梯的时候,是依赖“楼梯完全统一”的假说的。 人类不能依赖这样的假设时,就会陷入困境。

凯西和大多数机器人一样,受到一些限制。 之所以看起来比其他机器人有趣,是因为他们使用了专门用于楼梯和楼梯类场景的特定楼梯控制器。

研究小组成员Green解释说:“将神经网络作为控制器进行训练时,学习算法会随着时间的推移而完善网络,从而使对特定环境的收益率最大化。” 这意味着,与其在平坦的地面上训练,不如通过在楼梯上训练,我们得到了完全不同的控制器。 “楼梯控制在平坦的地面上正常工作,但是效率很低,噪音很大。 这个研究小组正在研究如何根据机器人的具体动作方法整合可以调用的多个步态控制器。 这可能会涉及到非常简单的感知系统,但是机器人会说:“嘿,前面有楼梯,所以最好采用楼梯模式! “”

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