即使是能走會(huì)跑、甚至?xí)?60度后空翻的波士頓動(dòng)力Atlas機(jī)器人，也很容易摔倒。而且，它們走的每一步都是人類操作的。但今天，美國(guó)人類與機(jī)器認(rèn)知研究所 (IHMC)放出的一則視頻顯示，Atlas機(jī)器人已經(jīng)能夠在崎嶇、狹窄的環(huán)境中自主導(dǎo)航了！

“逆天機(jī)器人 Atlas”能夠自主導(dǎo)航了！

大家對(duì) Atlas 機(jī)器人一定不陌生。2013 年，波士頓動(dòng)力公司為美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 的一項(xiàng)挑戰(zhàn)賽創(chuàng)造了 Atlas 機(jī)器人，它能走能跑，草地、雪地、碎石地都不在話下，甚至能做 360 度后空翻。它被稱為 “逆天機(jī)器人 Atlas”。

盡管有如此驚人的敏捷度，Atlas 機(jī)器人在走路時(shí)仍然很容易摔倒，尤其是當(dāng)?shù)孛娌黄秸麜r(shí)，雙足機(jī)器人很難計(jì)算他們的腳應(yīng)該放在哪里才能保持平衡。

這是因?yàn)?，Atlas 機(jī)器人走的每一步都必須由人類操作員決定，并通過(guò)用戶界面輸入。

編程讓機(jī)器人在平坦的地面上行走已經(jīng)夠困難的了，但是佛羅里達(dá)人類與機(jī)器認(rèn)知研究所 (IHMC) 正在解決一個(gè)更大的挑戰(zhàn)：確保雙足機(jī)器人能夠成功地在崎嶇的地形上行走。

該研究所自 2016 年以來(lái)一直在研究這個(gè)問(wèn)題。

今天，IHMC 發(fā)布的最新視頻（標(biāo)重點(diǎn)：不是CG?。?，展示了這個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展：機(jī)器人可以通過(guò)自主步伐規(guī)劃算法，在狹窄的地形中自主導(dǎo)航了！

視頻中，IHMC 開(kāi)發(fā)的自主步伐規(guī)劃(autonomous footstep planning) 程序正在波士頓動(dòng)力公司的 Atlas 機(jī)器人和美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)的 Valkyrie 機(jī)器人上運(yùn)行。

視頻展示了機(jī)器人在一堆煤渣塊上面行走，甚至能穿過(guò)更窄的路徑，由于導(dǎo)航選項(xiàng)有限，路徑越窄導(dǎo)航就越困難。

操作人員為機(jī)器人指定一個(gè)開(kāi)始點(diǎn)和一個(gè)結(jié)束點(diǎn)，然后映射所有可能的路徑，評(píng)估每個(gè)路徑的成本，選擇一個(gè)最好的路徑，最終到達(dá)目標(biāo)點(diǎn) —— 所有這些都發(fā)生在快速的現(xiàn)代硬件上。

利用 IHMC 的算法，這些機(jī)器人還可以快速適應(yīng)環(huán)境變化和路徑障礙，甚至能夠在一條 “獨(dú)木橋” 式的狹窄路徑上行走。

該算法使用機(jī)器人的傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并將環(huán)境分割成多個(gè)部分。每個(gè)部分都被分解成一系列的多邊形，從而創(chuàng)建一個(gè)環(huán)境模型，這樣機(jī)器人就可以規(guī)劃出從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的每一步。

研究人員表示，還有很多工作要做 ——Atlas 機(jī)器人在狹窄小路上自主導(dǎo)航行走的成功率是 50%，在崎嶇地形的成功率達(dá)到 90%，而在平坦地形的成功率接近 100%。

研究人員計(jì)劃提高路徑規(guī)劃的速度和能力，在迷宮和看不見(jiàn)的目標(biāo)環(huán)境中測(cè)試，第一步是加入一個(gè)身體路徑規(guī)劃器。

視頻和論文已經(jīng)提交給 IEEE 2019 類人機(jī)器人大會(huì)。

詳解Atlas如何自主導(dǎo)航：點(diǎn)云分割、基于圖搜索

IHMC 在視頻中詳細(xì)描述了機(jī)器人如何做到自主導(dǎo)航的。

為了在一個(gè)雜亂或復(fù)雜的環(huán)境中行走，雙足機(jī)器人必須要能夠找出他們可以把腳放在哪個(gè)位置，而且需要快速完成這個(gè)過(guò)程。在參加 DARPA 機(jī)器人挑戰(zhàn)賽時(shí)，IHMC 團(tuán)隊(duì)需要讓人類操作員通過(guò)一個(gè)用戶界面來(lái)指導(dǎo) Atlas 的每一步放在什么位置，這個(gè)過(guò)程非常緩慢，給操作員帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)。

一旦腳步放錯(cuò)，機(jī)器人就會(huì)跌倒 ——IHMC 的 Atlas 機(jī)器人在最后一場(chǎng)決賽時(shí)毫無(wú)預(yù)兆地跌倒了……

在這個(gè)最新研究中，研究人員使用傳感器獲取機(jī)器人周圍環(huán)境信息，生成點(diǎn)云，然后將點(diǎn)云分割成平面區(qū)域，以更緊湊的形式表示來(lái)自傳感器的大量數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云環(huán)境模型

有了這個(gè)環(huán)境模型，目標(biāo)就變成了規(guī)劃一系列的腳步，讓機(jī)器人的初始點(diǎn)走到最終目標(biāo)。

為此，研究人員使用基于圖的搜索技術(shù)，如A* 算法，圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)腳步。當(dāng)展開(kāi)一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì) x 和 y 平移進(jìn)行網(wǎng)格搜索。

在此基礎(chǔ)上，考慮前一步的平移和旋轉(zhuǎn)，并評(píng)估每一步的成本，確定下一步的最佳位置。

通過(guò)正確的調(diào)優(yōu)和檢查，這種方法適用于各種各樣的環(huán)境。

例如與平地上，它可以很快地規(guī)劃目標(biāo)，成功率接近完美。

當(dāng)穿越崎嶇的地形時(shí)，規(guī)劃速度也相當(dāng)快。

目標(biāo)位置的改變會(huì)機(jī)器人避障的最佳路徑。

機(jī)器人還能夠利用規(guī)劃算法擠著穿過(guò)狹窄的通道。

在這種環(huán)境下，為了避免與環(huán)境發(fā)生碰撞，機(jī)器人不得不幾乎完全轉(zhuǎn)向一側(cè)。

部分腳印在環(huán)境中提供額外的落腳位置，允許機(jī)器人在更復(fù)雜的地形中行走。

機(jī)器人還可以重新規(guī)劃路徑。

例如，當(dāng) Valkyries 的路徑被阻擋時(shí)，它可以重新回到目標(biāo)的新路徑。

最后一個(gè)例子是臺(tái)階高低不平的環(huán)境，目標(biāo)地址是較高的平臺(tái)。

Atlas 能夠規(guī)劃它的路徑先踩較高的煤渣塊，然后回到較低的煤渣塊，一高一低地走，直到到達(dá)目標(biāo)。

Atlas有望成為身手靈活、自主導(dǎo)航的災(zāi)區(qū)救援機(jī)器人

Atlas機(jī)器人由波士頓動(dòng)力公司制造，IHMC Robotics編寫了控制、感知和規(guī)劃算法，使機(jī)器人具備了視頻中展示的靈活性。

現(xiàn)在，Atlas 機(jī)器人擁有了在平坦、粗糙和狹窄的路徑上自主導(dǎo)航的能力，這對(duì)于幫助災(zāi)區(qū)救援很重要，因?yàn)樵跒?zāi)區(qū)，倒塌的瓦礫使得傳統(tǒng)的救援服務(wù)難以進(jìn)入。