機器狗走梅花樁？自行車(chē)能自平衡？騰訊 Robotics X 實(shí)驗室研究首次“開(kāi)箱”

騰訊 Robotics X 實(shí)驗室四足移動(dòng)機器人Jamoca首亮相，可挑戰高難度梅花樁。

11月20日，騰訊公布了其在移動(dòng)機器人研究方面的新進(jìn)展：四足移動(dòng)機器人 Jamoca 和自平衡輪式移動(dòng)機器人首次對外亮相。

Jamoca 是國內首個(gè)能完成走梅花樁復雜挑戰的四足機器人，而自平衡輪式移動(dòng)機器人的相關(guān)研究成果還入選了機器人行業(yè)的頂級會(huì )議 IROS 2020。

這兩項進(jìn)展均來(lái)自騰訊 Robotics X 實(shí)驗室，屬于移動(dòng)方向上的技術(shù)突破，也是機器人最基礎的能力之一。

騰訊 Robotics X 實(shí)驗室于2018年成立，致力推進(jìn)人機協(xié)作的下一代機器人研究，打造虛擬世界到真實(shí)世界的載體與連接器。目前實(shí)驗室主攻移動(dòng)、靈巧操作和智能體等三大通用機器人技術(shù)的研究與應用，并聚焦于多模態(tài)移動(dòng)機器人的研發(fā)。

四足移動(dòng)機器人 Jamoca ：能走、能跑、能跳，可挑戰梅花樁復雜地形

“少林從師數十冬，梅花樁上練真功。持之以恒銳意修，定可成名蓋群雄。”

梅花樁是中國功夫的重要訓練道具之一，習練梅花樁也是武俠小說(shuō)中修煉輕功的基礎?，F在，梅花樁上迎來(lái)了一位新的“練功者”—— 騰訊四足移動(dòng)機器人 Jamoca。

Jamoca 本體基于外部提供的硬件平臺改裝，重約70公斤，長(cháng)1米、寬0.5米、站高0.75米

四足移動(dòng)機器人，更常見(jiàn)的一個(gè)名字是機器狗。騰訊 Robotics X 實(shí)驗室在外部提供的本體之上，基于自研的機器人控制技術(shù)，為 Jamoca 打造了一個(gè)能應對復雜環(huán)境的智能大腦。這個(gè)大腦讓 Jamoca 能行走、小跑和跳躍，并賦予了它自主定位和避障的能力。

此次 Jamoca 完成的挑戰由高60厘米、呈20°斜面角度的臺階和鄰樁最大高度差16厘米、間距不等的梅花樁兩部分組成。

據騰訊 Robotics X 實(shí)驗室研究員介紹，和國際上其他四足機器人走木塊的場(chǎng)景比較，此次 Jamoca 所挑戰的梅花樁落腳面積更小、高度更高，并有臺階的組合，實(shí)現的難度要更大。

其中，考驗機器人移動(dòng)能力的難點(diǎn)主要有兩個(gè)：理解梅花樁的排布（包括位置和高度）、選擇最佳落腳點(diǎn)及路線(xiàn)并穩定精準地行走（落腳到梅花樁中心點(diǎn)）。

這正對應了實(shí)驗室在移動(dòng)技術(shù)方面鉆研的的兩個(gè)核心技術(shù)模塊：感知、運動(dòng)規劃與控制；同時(shí)二者通過(guò)實(shí)驗室的另一核心技術(shù)模塊：整機系統設計與搭建，實(shí)現了系統性的集成融合。

從 Jamoca 挑戰的結果看，騰訊 Robotics X 實(shí)驗室已經(jīng)達到了極高的技術(shù)標準——誤差1厘米內的感知定位、根據環(huán)境進(jìn)行的10毫秒級路線(xiàn)規劃、基于動(dòng)力學(xué)的1KHz實(shí)時(shí)力矩控制、梅花樁中心點(diǎn)1厘米內的落腳誤差，以及全系統的高度協(xié)同。

在精準環(huán)境感知方面，Jamoca 創(chuàng )新性地實(shí)現了魯棒的眼腳標定，并利用RGB-D相機對周?chē)h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的感知。通過(guò)特征點(diǎn)匹配的方式，對 Jamoca 自身的運動(dòng)軌跡進(jìn)行在線(xiàn)跟蹤，并將基于視覺(jué)的定位信息與基于運動(dòng)學(xué)的里程計信息和 IMU（Inertial measurement unit，慣性測量單元） 數據進(jìn)行融合，提高了定位追蹤的精度和頻率。同時(shí)利用算法識別和提取出臺階和梅花樁的表面區域范圍和中心點(diǎn)位置，將定位和識別的數據進(jìn)行融合，從而重建出整個(gè)三維運動(dòng)場(chǎng)景。

在最優(yōu)運動(dòng)線(xiàn)路規劃和實(shí)時(shí)的運動(dòng)控制方面，Jamoca 基于感知系統實(shí)時(shí)感知到的機器人本體及梅花樁位置信息，基于質(zhì)心動(dòng)力學(xué)，實(shí)現在線(xiàn)的質(zhì)心軌跡生成和落腳點(diǎn)規劃。在保證機器人的四條腿可以安全地踏到下一步的梅花樁的同時(shí)，優(yōu)化出一條本體移動(dòng)長(cháng)度最短、綜合耗力最小的運動(dòng)軌跡，并且可以在線(xiàn)持續地進(jìn)行上述運動(dòng)規劃。

同時(shí)，基于實(shí)時(shí)的本體狀態(tài)估計，Jamoca 能夠結合質(zhì)心動(dòng)力學(xué)模型來(lái)構建優(yōu)化問(wèn)題，實(shí)時(shí)求解機器人足端所需的地面反作用力，并結合反饋控制實(shí)現精準魯棒的實(shí)時(shí)力控，可完成行走、對角小跑以及跳躍等的運動(dòng)控制。

不同于預先設計好規則之后做重復的運動(dòng)的工業(yè)機器人，Robotics X 實(shí)驗室更關(guān)注機器人有意識、有判斷的自主特性研究，目的就是要在有很大不確定性的動(dòng)態(tài)環(huán)境里，能夠實(shí)現機器人的自主判斷、自主決策，并自主完成任務(wù)。

現階段，Jamoca 主要用于實(shí)驗室內部科研實(shí)驗。它的在線(xiàn)環(huán)境感知、最優(yōu)運動(dòng)規劃和實(shí)時(shí)運動(dòng)控制等能力，未來(lái)將幫助騰訊其他機器人產(chǎn)品更好地適應復雜的現實(shí)環(huán)境。

靜止、行進(jìn)均能自主保持平衡的輪式機器人

?此次一同亮相的，還有一款自平衡輪式移動(dòng)機器人，也可稱(chēng)之為自平衡自行車(chē)，是騰訊 Robotics X 實(shí)驗室的首個(gè)整機自研機器人。

它在傳統輪式移動(dòng)機器人的基礎上，增加了動(dòng)量輪及其電機驅動(dòng)系統，使得機器人可以在靜止及行進(jìn)狀態(tài)下均保持平衡不倒。

自平衡輪式移動(dòng)機器人的硬件平臺完全由騰訊RoboticsX自研，重約15公斤，長(cháng)1.15米，高0.52米

它的控制能力又可以細分為行進(jìn)中的動(dòng)態(tài)自平衡和停止行進(jìn)時(shí)的靜態(tài)自平衡。行進(jìn)中的動(dòng)態(tài)自平衡是依靠前把轉動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)車(chē)身的轉動(dòng)實(shí)現，而停止行進(jìn)時(shí)的靜態(tài)自平衡則采用動(dòng)量輪力矩平衡技術(shù)，應用角動(dòng)量守恒的原理實(shí)現自平衡控制。

依靠平衡算法，即使受到一定的外界干擾，騰訊自平衡輪式移動(dòng)機器人仍然可以在保持自平衡狀態(tài)的同時(shí)，實(shí)現平穩地向前行駛。

機器人在不同的路面狀況下，例如遇到上下坡時(shí)，也都表現出了較好的運動(dòng)能力和平衡性能。甚至對于行駛路徑上存在特定約束的情況，比如沿著(zhù)獨木橋行駛的場(chǎng)景，它也能從容應對。

在此前舉行的機器人行業(yè)國際頂會(huì )IROS 2020上，騰訊 Robotics X 實(shí)驗室發(fā)布的兩篇平衡控制方向的Oral論文，就來(lái)自于該機器人項目。

IROS由IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì )）和RSJ（日本機器人學(xué)會(huì )）共同舉辦，是機器人領(lǐng)域三大國際頂級會(huì )議之一，今年的主題為Consumer Robots and Our Future，接收來(lái)自機器人與人工智能、機器人視覺(jué)、傳感器、云機器人等相關(guān)領(lǐng)域的研究。

在第一項研究《自平衡輪式移動(dòng)機器人的非線(xiàn)性平衡控制：設計與實(shí)驗》中，騰訊 Robotics X 實(shí)驗室與紐約大學(xué)合作研究了自平衡輪式移動(dòng)機器人的動(dòng)靜態(tài)平衡控制的穩定性問(wèn)題。

在傳統輪式移動(dòng)機器人的基礎上，騰訊 Robotics X 實(shí)驗室增加了動(dòng)量輪和電機驅動(dòng)系統，使用了級聯(lián)與阻尼配置的無(wú)源控制（Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control, IDA-PBC）方法，并應用李雅普諾夫理論從理論上證明了自平衡輪式移動(dòng)機器人的閉環(huán)系統穩定性。

此外，實(shí)驗室還在自建平臺上證明了新控制器效果良好，能讓機器人保持自平衡，并有一定的抗外界干擾能力。

而在另一項研究《自平衡輪式移動(dòng)機器人平衡的增益規劃控制器設計》中，不同于傳統方法將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡區分對待，研究團隊建立了可以同時(shí)描述輪式移動(dòng)機器人動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的統一的數學(xué)模型。

基于同一個(gè)模型，動(dòng)態(tài)平衡和靜態(tài)平衡對不同驅動(dòng)輸入的依賴(lài)程度不同，無(wú)法使用同樣的控制參數。因此，研究團隊使用基于增益規劃（Gain Scheduling）的控制方法。該控制方法可在兩種情況下都保持輪式機器人的平衡，這一點(diǎn)在理論和實(shí)驗中都得到證明。

移動(dòng)機器人的技術(shù)框架

騰訊 Robotics X 實(shí)驗室主攻機器人移動(dòng)、靈巧操作和智能體等三大核心通用技術(shù)的研究與應用。

其中，移動(dòng)是機器人最基礎的能力之一，此次發(fā)布的兩項進(jìn)展就屬于移動(dòng)方向。

而移動(dòng)方向又可分為四個(gè)技術(shù)模塊：機械設計、感知、運動(dòng)規劃與控制、整機系統設計與搭建。通俗的說(shuō)，前三者分別是機器人的軀干、眼睛和大腦，最后一項則是它的各“器官”協(xié)調的能力。

算法自研的 Jamoca 正是結合了騰訊在感知、運動(dòng)規劃與控制兩方面的研究成果。而整機自研的自平衡輪式移動(dòng)機器人則可以視作騰訊在機器人的機械設計和整機系統設計與搭建方向能力上的一個(gè)里程碑項目。

騰訊 Robotics X 與騰訊 AI Lab 實(shí)驗室主任張正友博士表示：“移動(dòng)或運動(dòng)能力，是機器人最核心、也是最基本的能力之一，決定了它能去到什么場(chǎng)景，做什么事情，未來(lái)有什么樣的想象力。我們很高興能看到這兩項進(jìn)展，并將繼續深入探索機器人的通用能力，為虛擬到真實(shí)世界搭建一個(gè)有力的橋梁。”

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