付春江致力打造出具有中國特色的雙足機器人

“美國系統(tǒng)深入的理論，日本嚴謹精準的測試，德國靈活巧妙的設(shè)計，這些都等待著中國去趕超。”

日前，之江實驗室 PI 研究員、前本田技研先端中心研究員、大阪大學(xué)博士 & 特聘研究員付春江，這樣形容自己回國的 “雙足機器人使命”。

今年 36 歲的付春江生于遼寧鞍山，本科畢業(yè)于華東理工大學(xué)信息學(xué)院及認知神經(jīng)動力學(xué)研究所，畢業(yè)后東渡日本來到大阪大學(xué)讀博，主要研究雙足行走控制，期間師從日本生體工學(xué)權(quán)威專家野村泰伸教授。

畢業(yè)后，先在大阪大學(xué)擔任特聘研究員，后出走象牙塔來到日本本田公司阿西莫（ASIMO）仿人機器人，負責新型雙足運動控制研究。

他說，阿西莫小組雙足控制崗位從未招聘過中國人。在波士頓動力的機器狗誕生之前，阿西莫祖機器人動作多樣性一直處于全球領(lǐng)先動態(tài)，其驅(qū)動方式為電機驅(qū)動。

1998 年起，本田公司秘密研發(fā)十年，曾誕生過全球首臺獨立行走和獨立奔跑的雙足機器人，一度曾引起轟動。

加入該公司后，付春江在新型控制器方面做了較多貢獻。其中，高維不穩(wěn)定動力學(xué)流形是他的代表性工作之一。

從全身高維動力學(xué)模型出發(fā)，推導(dǎo)出全身高維動力學(xué)的非穩(wěn)定流形

傳統(tǒng)的雙足控制基于模板動力學(xué)，即雙足機器人會涉及到一個特別高維的非線性動力學(xué)過程。

此前，相關(guān)研究人員一般先把它進行降維，用一個線性倒立擺或者一個彈性倒立擺，先對整體高維動力學(xué)進行近似，接著先處理比較簡單的模型，然后再使用映射方法映射到全身運動型模型或動力學(xué)模型。

在讀博期間的第一篇論文，付春江繞開從模板動力學(xué)模型出發(fā)的方法，而是從全身高維動力學(xué)模型出發(fā)，然后推導(dǎo)出全身高維動力學(xué)的非穩(wěn)定流形。

此前，使用低維非穩(wěn)定流形或捕獲點方法非常流行，但之前在高維非穩(wěn)定流形方面并沒有人做。

因此，付春江是首個提出高維不穩(wěn)定動力學(xué)流形的學(xué)者，通過考察單足支撐和雙足支撐相的可控性，提出在雙足支撐項施加間歇控制，對雙足支撐時的非穩(wěn)定流形施加控制從而實現(xiàn)穩(wěn)定行走。

因為只對非穩(wěn)定流形的部分加以控制，并只在一小段窗口期施加，可大大減少控制能耗，對于穩(wěn)定流形部分則采用放任方式，這樣雙足行走會更自然。

更快的實時計算速度，更少的能量消耗

付春江在本田的很多工作，有些以論文形式發(fā)表，有些則申請為專利。

其中有一個專利涉及到機器人雙足控制方式，他告訴 DeepTech，一種流行的控制機器人雙足的方式叫混合零動力方式，該方法由美國密歇根大學(xué) Jessy Grizzle 教授于 20 世紀 90 年代提出。

在研究早期，付春江相對獨立地提出了一套類似的方法，該方法也是從全身動力學(xué)出發(fā)，基于任務(wù)空間而非關(guān)節(jié)空間，可實現(xiàn)輕松規(guī)劃腳步經(jīng)過的弧線、身體倒立擺經(jīng)過的長度、以及支撐腿部到身體重心的長度。

經(jīng)過反饋線性化的方法，再用微分幾何的方式，可把全身動力學(xué)映射到模型任務(wù)空間，變成在任務(wù)空間當中的全身動力學(xué)方式。

然后在任務(wù)空間中再利用它的規(guī)劃，就可方便地達成各種各樣的行走方式。比如，機器人可實現(xiàn)在上下坡、臺階等非平整地面上行走。

這套方法的優(yōu)點在于，其一可在線進行計算，只要前期把微分幾何當中的各階李導(dǎo)數(shù)全部計算好，那么實時計算速度就會很快，因此非常適合機器人；其二由于是全身動力學(xué)規(guī)劃，非必要的能量消耗會更少。

但是，對于初值和干擾來說，反饋線性化的方式比較缺乏魯棒性。

為應(yīng)對該問題，付春江聯(lián)合斯坦福大學(xué)團隊，開發(fā)出基于采樣的直接策略優(yōu)化法。

其本質(zhì)在于原來做優(yōu)化的時候，優(yōu)化軌跡是一條線，但受干擾的這條線會偏離原來的軌道，這樣系統(tǒng)就不具備魯棒性。

研究中，他們提出在某一個狀態(tài)點周圍進行采樣，借鑒無色卡爾曼濾波器的思想，來對采樣點進行地推。

這樣就能實現(xiàn)在保留非線性的同時，不對系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行改變，那么最終優(yōu)化出來的是一條管道，而不再限于一條線。

在優(yōu)化出來的這條管道之內(nèi)，只要系統(tǒng)狀態(tài)量在管道之內(nèi)，就能保證整個系統(tǒng)的魯棒性。

說到這里付春江舉例稱，火箭里面的燃料會產(chǎn)生一定的波動或震動，因此火箭整體質(zhì)量分布就會發(fā)生抖動或變化，這等于只有火箭下部有推動力，這時對其做控制就會比較難。

因此他提出這樣一種優(yōu)化管道的方法，來保證對內(nèi)部擾動、外部空氣擾動都具有魯棒性，因此火箭可以安全順利地著地。

在他的研究中，另一個困難是如何找出在任務(wù)空間的參考軌跡，方法是基于帶接觸的模型預(yù)測控制。

波士頓動力等公司使用的是為基于線性互補條件（LCP）的方法。但是，他們提出了更好的方法，即把 LCP 接觸，看做是一層優(yōu)化，然后把利用模型預(yù)測控制 MPC 作為上層的優(yōu)化，接著基于這兩層優(yōu)化去解決相應(yīng)問題并能達到準實時的計算速度。

開發(fā)可改變阻抗的驅(qū)動器

在工業(yè)機械臂中有位置控制、力矩控制和阻抗控制三種方式，但是在雙足機器人上，目前做出來的只有位置控制和力矩控制的雙足機器人。

這是因為雙足機器人存在本質(zhì)不穩(wěn)定的問題，控制起來也更難。但是與環(huán)境和人相接觸、改變動作吸引子狀態(tài)，以及節(jié)約能量注入能量等，都需要阻抗控制，因此改變阻抗十分重要，且會帶來新的應(yīng)用場景。

基于此，付春江與團隊開發(fā)了可以改變阻抗的驅(qū)動器，采取的方式是改變力臂長度，然后對變阻抗驅(qū)動器進行建模，研制和測試。

據(jù)他介紹，以前的變阻抗驅(qū)動器主要用于上肢，輸出力矩較小，這款變阻抗驅(qū)動器的輸出力矩目前是世界最大的，可在 0.1 秒之內(nèi)改變阻抗。未來有望用在雙足機器人中的腿足。

相比輪式機器人，雙足機器人的優(yōu)勢在于可探索不連續(xù)平整的地面比如爬上陡坡，而輪式機器人則很難通過超過 60 度的坡度。

而雙足機器人的占地非常小，因此落腳點也非常小，因此能通過支持反作用力來維持動態(tài)平衡。

另外相比四足機器人，雙足機器人有較高的重心優(yōu)勢，因此能解放雙手來做一些高重性的動作。比如去開一扇門以及端一盤菜。而波士頓動力狗等四足機器人則很難做這樣的動作，因為它的重心比較低。

此外，雙足機器人可利用全身的動作，以投擲的方式來讓雙手集中全身力量，即便它的驅(qū)動器沒有這么大的力量，但是它的輸出比一個單純的機械手臂會有更大的力量輸出。而且，相比于人假如它的零件壞掉，還可進行更換。

雙足機器人的五大潛在實際應(yīng)用

付春江告訴 DeepTech，結(jié)合相關(guān)優(yōu)勢和特點，雙足機器人大概有以下五個落地場景：

第一，用于農(nóng)業(yè)作業(yè)。一般農(nóng)業(yè)工作都是在非鋪裝路面進行，這對于雙足機器人的腳部支撐面非常小，即只能站在兩行稻田的中間，而這恰好符合雙足優(yōu)勢。因此其落地場景之一是農(nóng)業(yè)，人口城市化的推進必將帶來農(nóng)業(yè)人口的減少，因此可讓它們來干農(nóng)活。

第二，用于建筑作業(yè)等高重心勞動。建筑是一個高危行業(yè)，并且需要高重心勞動，如果使用雙足機器人，其不僅能幫助人類避免可能的危險，且具備高重心作業(yè)能力。

第三，用于照顧老人。老齡化社會會催生更多家庭服務(wù)需求，全球很多國家的年輕人都會到大城市發(fā)展，很多老齡化人口并不能得到子女長期穩(wěn)定的陪護。而雙足機器人可起到照顧老年勞動力的問題，比如給家里買菜、陪老人去散步。此外，還可通過 5G 和 VR 等連接方式，讓老人以非常快的通訊速度連接到自己的專屬機器人上，從而享受被照顧的服務(wù)。

第四，用于科考探索。假如需要在地外行星上的非鋪裝路面作業(yè)，雙足機器人不需要像人類宇航員那樣，付出維持生命系統(tǒng)的高昂代價。

第五，用于災(zāi)害救援和響應(yīng)。災(zāi)害救援場景一般是為了救人，美國曾舉辦過 DRC 競賽，就是這個場景。

出國十年，一朝返華

2021 年 3 月，出國十多年的付春江，正式回國入職浙江杭州之江實驗室，目前正在籌建雙足機器人本體項目組。

他們主要研究雙足機器人的新型結(jié)構(gòu)和控制，希望借此打造一個適合多場景落地的雙足機器人。

從事雙足機器人研究工作多年的他，非常熟悉各種雙足控制流派，比如基于模板動力學(xué)的、基于非線性控制的、基于優(yōu)化的，以及基于強化學(xué)習(xí)的，和世界很多高校和公司都有交流或合作。此次回國也是希望能打造出具有中國特色的雙足機器人。

他說，當初出國時日本的博士生拿的工資可能都比國內(nèi)的正式員工待遇要好，但是現(xiàn)在中國經(jīng)濟的發(fā)展給科研提供了強勁動力，而且在國內(nèi)也更方便進行大團隊的創(chuàng)造性工作，因此他很看好中國目前乃至后續(xù)的發(fā)展前景。

責任編輯：haq