上理工团队研发直腿双足机器人，破解能耗和平衡两大难题

上理工团队研发直腿双足机器人，破解能耗和平衡两大难题

你是否有这样的感受？在缓坡下坡行走时，脚步似乎“自动”交替无需使力，身体会进入非常放松的状态，但如果坡度变陡，脚步就会“凌乱”起来，再不费点劲控制可就要摔跤了。这样的规律其实正是人类行走的“奥秘”，而将人类控制步态的能力赋予机器人就能解决一直困扰双足机器人行走平衡性和能效性的两大难题。

　　记者日前从上海理工大学机器智能研究院获悉，执行院长李清都教授团队利用“被动行走”和“人工智能”的创新方法研制出新型双足机器人，成为全球目前唯一可以同时做到“平衡、高效、智能、安全、经济”5个关键特性的大双足机器人“小贝”。

图说：机器人“小贝”实现了轻松行走 采访对象供图（下同）

　　降能耗减一半电机

　　今年，美国波士顿动力公司研发的Atlas机器人后空翻、三连跳的“酷炫”视频红遍网络，这款身姿矫健的机器人符合人们对“钢铁战士”的一切想象。而另一款代表领先水平的双足机器人是日本本田公司研发的仿人机器人ASIMO，相比Atlas的“阳刚”，它显得更温柔亲和。这两款机器人都很好地展现了机器人的平衡能力，但也都有共同的烦恼——高能耗。

　　一直以来，双足机器人的研发主要是形态上的“仿生”，也就是说要让机器人的行走能够像人一样，无论是Atlas还是ASIMO的下半身都有十余个驱动“关节”，以控制各种方向的力量。可驱动“关节”一多，力量和平衡有了，能耗也高了。“机器人真的需要那么多驱动‘关节’吗？”李清都教授琢磨着，既然电机影响能耗，那就干脆做减法，于是团队尝试“直腿”机器人的研发，将电机数量减少了一多半。

　　驱动电机少了，如何实现平衡就成了一个非常大的挑战。“我们做了很多‘被动行走’的基础研究，也做了大量的仿真和实验验证，包括步态控制和能效等。”在缓坡下坡实验中，李清都教授研究了新模型，在没有任何驱动下，受重力、腿结构及坡度等的影响，发现机器人会经历“周期稳定”“混沌”和“发散”三种步态，当坡度平缓时会有一个耗能很低的稳定步伐，当坡度增加，就需要逐渐给予力量控制，否则就最终会摔倒。搞清楚机器人自身的运动规律，也就把握了保持平衡的控制力度和时机。这种新的动态平衡技术，无需“大脚”，就像踩高跷，机器人就能平稳行走。

图说：行者二号身形苗条，更有亲和力

　　适应环境学人走路

　　除了基础原理，要让机器人能适应环境自动迈步还得赋予它“智慧”。团队联合德国汉堡大学、深圳市行者机器人技术有限公司研制的小贝机器人，利用深度强化学习、迁移学习、连续学习等一系列人工智能技术，让机器人通过2D、3D的逐步训练，像孩童学步一样，慢慢掌握走路技巧。小贝的体重不到10公斤，身高也像个小童，但是它的平衡能力已经很出色——测试表明，在撞击、推拉、风吹、不平路面等复杂环境中仍能正常行走；得益于人工智能算法，小贝对机电传感的性能需求降低，还能实现智能交互，推一下，它便向前迈几步，回拉一下，它就像个宠物一样跟着走，对人非常安全、友好。

　　小贝的前身“行者一号”已经具备很强的耐力，它曾打破吉尼斯世界纪录，是目前世界上能效最高的机器人，它的能效甚至超过了人类，实测仅耗0.8度电可以续航134公里。“传统双足机器人的运输损耗COT是人类的10-20倍，目前的电机技术和电池等都难以支撑，所以很难实用。我们的研发路径可以说是‘换道超车’吧。”

　　始终坚持为人服务

　　目前，李清都教授正忙于调试小贝，希望通过进一步的复杂环境的学习，让小贝能适应更多路况。而小贝的技术已经形成产品——智能助行机器人，能帮助行动不便的老人更安全、轻松地行走，还可以自动采集人双腿步态、双臂压力等数据，分析使用者的行走步态，监护使用者的健康状况。团队研发的“行者二号”也已经在不久前的高交会上亮相，这款身材苗条的“美女”机器人，未来将会集成更多智能应用，或许将成为酒店迎宾、交通协管、环卫工人或者生活管家。

　　李教授坦言，机器人是复杂系统，小贝要“长高”“长大”，难度技术是几何倍数增加的，但“为人类带来更多安全、有效服务”的目标始终坚持，因为这才是机器人研究的最终目的。