讓機(jī)器狗走梅花樁，讓小摩托自己保持平衡，這是騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室的最新成果。

剛剛，騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室公布了在移動(dòng)機(jī)器人研究方面的新進(jìn)展：四足移動(dòng)機(jī)器人 Jamoca 和自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人首次對(duì)外亮相。 會(huì)走梅花樁的機(jī)器狗 Jamoca Jamoca 是一款四足機(jī)器人，叫機(jī)器狗可能更加貼切。和他的前輩們一樣，Jamoca 的出道之路也并不好走。但和前輩們不同的是，Jamoca 要經(jīng)受的考驗(yàn)是武俠界用來修煉輕功的道具——梅花樁。

這個(gè)梅花樁由若干圓柱體組成，每個(gè)圓柱體的截面直徑僅為 20 厘米，各個(gè)圓柱體之間間距不規(guī)則（20~50 厘米不等），相鄰圓柱體之間最大高度差達(dá)到了 16 厘米。騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室研究員表示，與國(guó)際上其他四足機(jī)器人走木塊的場(chǎng)景相比，此次 Jamoca 所挑戰(zhàn)的梅花樁落腳面積更小、高度更高。Jamoca 也是國(guó)內(nèi)首個(gè)能完成走梅花樁復(fù)雜挑戰(zhàn)的四足機(jī)器人。 在走梅花樁之前，Jamoca 還要爬上一個(gè)高 60 厘米、呈 20° 斜面角度的臺(tái)階。

在這個(gè)組合挑戰(zhàn)下，Jamoca 必須要理解梅花樁的排布（位置和高度）、選擇最佳落腳點(diǎn)及路線并穩(wěn)定精準(zhǔn)地行走，總結(jié)起來就是「看得準(zhǔn)、選得優(yōu)、走得穩(wěn)」，這對(duì)它的感知、規(guī)劃和控制能力要求極高。

第一步是「看得準(zhǔn)」，這需要 Jamoca 實(shí)時(shí)估計(jì)本體、梅花樁、臺(tái)階的位置和姿態(tài)，定位誤差小于 1 厘米，并進(jìn)行可視化建模。 第二步是「選得優(yōu)」，這需要 Jamoca 根據(jù)周邊環(huán)境進(jìn)行 10 毫秒級(jí)的在線規(guī)劃，確保路線最為安全、快捷、省力。 第三步是「走得穩(wěn)」，Jamoca 基于動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)力矩控制頻率能達(dá)到 1kHz，使其能在復(fù)雜地形平穩(wěn)移動(dòng)，落腳誤差小至 1 厘米。 這些步驟主要涉及兩個(gè)技術(shù)模塊：感知、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，騰訊 Robotics X 的研究人員通過整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)模塊系統(tǒng)性的集成融合。

在精準(zhǔn)環(huán)境感知方面，Jamoca 實(shí)現(xiàn)了魯棒的眼腳標(biāo)定，并利用 RGB-D 相機(jī)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的感知。通過特征點(diǎn)匹配的方式，對(duì) Jamoca 自身的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行在線跟蹤，并將基于視覺的定位信息與基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的里程計(jì)信息和 IMU（Inertial measurement unit，慣性測(cè)量單元） 數(shù)據(jù)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(shí)別和提取出臺(tái)階和梅花樁的表面區(qū)域范圍和中心點(diǎn)位置，將定位和識(shí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而重建出整個(gè)三維運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。 在最優(yōu)運(yùn)動(dòng)線路規(guī)劃和實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制方面，Jamoca 基于感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知到的機(jī)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(xiàn)在線的質(zhì)心軌跡生成和落腳點(diǎn)規(guī)劃。在保證機(jī)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(zhǎng)度最短、綜合耗力最小的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且可以在線持續(xù)地進(jìn)行上述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。 同時(shí)，基于實(shí)時(shí)的本體狀態(tài)估計(jì)，Jamoca 能夠結(jié)合質(zhì)心動(dòng)力學(xué)模型來構(gòu)建優(yōu)化問題，實(shí)時(shí)求解機(jī)器人足端所需的地面反作用力，并結(jié)合反饋控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)魯棒的實(shí)時(shí)力控，可完成行走、對(duì)角小跑以及跳躍等的運(yùn)動(dòng)控制。 騰訊表示，不同于預(yù)先設(shè)計(jì)好規(guī)則之后做重復(fù)運(yùn)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，Robotics X 實(shí)驗(yàn)室更關(guān)注機(jī)器人有意識(shí)、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?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的自主判斷、自主決策，并自主完成任務(wù)。 現(xiàn)階段，Jamoca 主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部科研實(shí)驗(yàn)。它的在線環(huán)境感知、最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制等能力，未來將幫助騰訊其他機(jī)器人產(chǎn)品更好地適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境。 自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人 和 Jamoca 一起發(fā)布的還有一款自平衡輪式機(jī)器人，在傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，它增加了動(dòng)量輪及其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以在靜止及行進(jìn)狀態(tài)下均保持平衡不倒。是一款完全由騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室自研的自平衡輪式移動(dòng)機(jī)器人。 從外觀來看，像一輛小摩托，重量約為 15 公斤，長(zhǎng) 1.15 米，高 0.52 米：

據(jù)騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室介紹說，這款自平衡輪式機(jī)器人的控制分為「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(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)車身的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；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(yīng)用角動(dòng)量守恒的原理實(shí)現(xiàn)自平衡控制。

在視頻展示中，自平衡機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)前行中的「拐彎」等方向調(diào)整的動(dòng)作

在行駛過程中，即使受到嚴(yán)重外界干擾，比如莫名飛來的足球砸到后輪，小車也能巋然不動(dòng)：

面對(duì)減速帶的阻攔，它能夠以合理的速度保持平穩(wěn)行駛：

以及，掌握了較強(qiáng)的上下坡、過橋能力：

完整的演示視頻如下：

騰訊也介紹了與這款自平衡輪式機(jī)器人相關(guān)的背后技術(shù)。在近日舉行的 IROS 2020 大會(huì)上，騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室該項(xiàng)目的兩篇研究被接收為 Oral 論文。

論文地址：http://ras.papercept.net/images/temp/IROS/files/0732.pdf 在這篇文章中，研究者使用非線性控制技術(shù)來擴(kuò)大無人自行車的穩(wěn)定域。研究者考慮了兩種情況。在第一種情況中，無人自行車使用飛輪保持平衡，轉(zhuǎn)角設(shè)置為 0，飛輪的扭矩用來控制輸入。該控制器基于級(jí)聯(lián)與阻尼的無源控制法 (IDA-PBC) 。對(duì)于第二種情況，無人自行車使用車把保持平衡，且行駛速度很快。車把的角速度用來控制輸入，平衡控制器是基于反饋線性器設(shè)計(jì)的?；?Lyapunov 穩(wěn)定性理論，研究者從理論上證明了閉環(huán)無人自行車的整體穩(wěn)定性，且在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了所提出的非線性平衡控制器的效果。

論文地址：http://ras.papercept.net/images/temp/IROS/files/2064.pdf 在第二篇論文中，研究者使用增益規(guī)劃技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)有慣性輪的無人自行車平衡控制器。根據(jù)自行車的靜止和運(yùn)動(dòng)這兩個(gè)狀態(tài)，需要兩個(gè)不同的控制器。該研究建立了一個(gè)物理系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)中證明了增益規(guī)劃控制器的效果。 騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室 騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室于 2018 年成立，致力于推進(jìn)人機(jī)協(xié)作的下一代機(jī)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(yàn)室主攻移動(dòng)、靈巧操作和智能體等三大通用機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用，并聚焦于多模態(tài)移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)。其中，移動(dòng)是機(jī)器人最基礎(chǔ)的能力之一，此次發(fā)布的兩項(xiàng)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(jī)械設(shè)計(jì)、感知、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制、整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建。前三者可以理解為機(jī)器人的軀干、眼睛和大腦，最后一項(xiàng)可以理解為它的各「器官」協(xié)調(diào)的能力。

該實(shí)驗(yàn)室還與騰訊 AI Lab 構(gòu)建了「AI + 機(jī)器人」的雙基礎(chǔ)布局，能協(xié)同思考如何真正連接虛擬和現(xiàn)實(shí)世界，并攻克終極難題——通用人工智能。 騰訊 Robotics X 與騰訊 AI Lab 實(shí)驗(yàn)室主任張正友博士表示：「移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)能力，是機(jī)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，未來有什么樣的想象力。我們很高興能看到這兩項(xiàng)進(jìn)展，并將繼續(xù)深入探索機(jī)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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