如何讓機(jī)器人減少摔倒呢？新算法讓機(jī)器人在失去平衡的一瞬間采取糾正措施

對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，重力可能不是好事。雙足機(jī)器人的行走是一大難題，而且經(jīng)常摔倒。雖然機(jī)器人摔倒后自己站起來(lái)也很驚艷，但如何讓機(jī)器人減少摔倒呢？杜克大學(xué)研發(fā)新算法，讓機(jī)器人在失去平衡的一瞬間采取糾正措施——扶一下墻。研究人員稱，這是首個(gè)摔倒時(shí)會(huì)自己扶墻的機(jī)器人。

對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，重力或許不是好事。

DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽有一個(gè)病毒傳播的視頻，其中各種各樣的人形機(jī)器人搖搖晃晃、笨拙地摔倒。

像這樣：

這樣：

還有這樣：

等等，DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽是不是一項(xiàng)看機(jī)器人摔倒的比賽？當(dāng)然不是。

對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，兩足行走是相當(dāng)不穩(wěn)定的。這是機(jī)器人研發(fā)的一大挑戰(zhàn)，不僅是因?yàn)闄C(jī)器人要努力完成挑戰(zhàn)任務(wù)，而且，摔倒會(huì)損壞這些非常昂貴的機(jī)器。

扶墻：利用周圍的環(huán)境防止摔倒

世界各地的機(jī)器人專家都在努力解決這個(gè)問(wèn)題，提出各種各樣的方案。杜克大學(xué)Kris Hauser的研究組希望在機(jī)器人失去平衡后添加一系列糾正措施，就像人類在被絆倒后會(huì)撐一下，他們希望機(jī)器人能夠利用周圍的環(huán)境。

“如果一個(gè)人被推向墻壁或欄桿，他們能夠利用墻壁或欄桿的表面，用手撐一下以保持直立。我們希望機(jī)器人也能這樣做?！倍趴舜髮W(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系副教授KrisHauser說(shuō)：“研究如何讓機(jī)器人動(dòng)態(tài)地選擇手放置的位置，以防止摔倒，我想我們是研究這個(gè)領(lǐng)域的唯一一個(gè)團(tuán)隊(duì)?！?/p>

人形機(jī)器人（實(shí)驗(yàn)里的這個(gè)機(jī)器人名為ROBOTIS Darwin Mini）通過(guò)扶著墻壁穩(wěn)定自己，以減少摔落的傷害。

利用周圍的平面防止摔倒：

這樣：

還有這樣：

雖然這樣的決定和行動(dòng)對(duì)于我們?nèi)祟悂?lái)說(shuō)是第二天性，但把它們編程成機(jī)器人的反應(yīng)卻很難。為了簡(jiǎn)化過(guò)程并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，Hauser對(duì)軟件進(jìn)行編程，使其只關(guān)注機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)。

系統(tǒng)硬件框圖及控制流程

只要機(jī)器人在跌倒時(shí)沒(méi)有發(fā)生扭曲，穩(wěn)定算法（stabilization algorithm）就只考慮三個(gè)角度：腳到臀部、臀部到肩膀、肩膀到手。機(jī)器人必須識(shí)別可接近的附近的表面，然后快速計(jì)算出最佳的角度組合，才能穩(wěn)住自己。

在矢狀面和額狀面采用倒立擺模型進(jìn)行跌落檢測(cè)。紅色箭頭表示質(zhì)量中心的速度。

本文使用的是三連桿模型，如圖所示。機(jī)器人被分成三個(gè)部分：腿，軀干和手臂，每個(gè)部分都被建模為剛性連接。

在最終的解決方案里，當(dāng)機(jī)器人的手接觸到表面時(shí)，能將沖擊力降到最低，同時(shí)將手或腳滑動(dòng)的可能性降到最低。該算法進(jìn)行最佳的猜測(cè)，然后用名為direct shooting的方法逐步優(yōu)化。

實(shí)驗(yàn)中的最優(yōu)控制器的例子

在當(dāng)前的狀態(tài)下，該機(jī)器人擁有的是輸入給它的環(huán)境信息，因此無(wú)法自行導(dǎo)航。但在不久的將來(lái)，Hauser計(jì)劃將它升級(jí)為大型機(jī)器人，擁有能夠看到周圍環(huán)境的相機(jī)傳感器。

“希望到今年年底之前，我們能夠?qū)@個(gè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓它實(shí)際地在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)障礙賽道上工作。”Hauser說(shuō)，“然后，我們將嘗試讓機(jī)器人動(dòng)態(tài)地繪制出它周圍的地圖，并且推斷出如何在任意環(huán)境中保護(hù)自己免于摔倒?！?/p>