【新智元導(dǎo)讀】2016年10月18日的世界人工智能大會(huì)上，山東大學(xué)機(jī)器人研究中心副主任宋銳出席并發(fā)表了題為《四足仿生機(jī)器人研究與思考 》的演講。宋銳在演講中介紹了四足仿生機(jī)器人的研究背景，國(guó)內(nèi)國(guó)外的研究現(xiàn)狀和技術(shù)突破，分享了山東大學(xué)機(jī)器人研究中心的研究成果，以及對(duì)機(jī)器人研究的展望與思考。

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宋銳：大家下午好！我是山東大學(xué)的宋銳，今天來(lái)到這個(gè)會(huì)場(chǎng)確實(shí)有很大的壓力，因?yàn)樵谖抑把葜v的都是人工智能界的資深專家、泰斗、企業(yè)家，我是從事工程技術(shù)的研究人員，今天帶來(lái)我們?cè)谧鏊淖惴律鷻C(jī)器人當(dāng)中的分享和思考，對(duì)于仿生機(jī)器人也需要人工智能更多的算法理論進(jìn)行支撐。

人類和自然界的動(dòng)物都經(jīng)過(guò)了億萬(wàn)年的進(jìn)化，在進(jìn)化的過(guò)程中腿足成為這些動(dòng)物們非常重要的移動(dòng)工具，陸上的腿足（類動(dòng)物），無(wú)論是山羊、北極熊還是貓，包括人類在進(jìn)化過(guò)程中，由于生存環(huán)境的不同，以及他們?cè)谡麄€(gè)食物鏈當(dāng)中位置的不同，從而進(jìn)化出了他們各自的絕活兒。

比如騾馬可以在復(fù)雜地形上進(jìn)行可靠穩(wěn)定地馱運(yùn)，山羊可以適應(yīng)非常崎嶇的地形，虎豹在足地交互非常滑的過(guò)程中，例如在雪地環(huán)境里實(shí)現(xiàn)快速奔跑，這實(shí)際體現(xiàn)了足式運(yùn)動(dòng)方式在自然界的有效性。

今天非常抱歉，我的PPT里面的視頻太大，導(dǎo)致不能播放，現(xiàn)在大部分都是靜態(tài)的圖片。在仿生機(jī)器人發(fā)展的過(guò)程中，根據(jù)人、動(dòng)物、昆蟲的啟發(fā)，研究出類人的機(jī)器人，四足機(jī)器人、多足機(jī)器人等等。

腿足式機(jī)器人和我們現(xiàn)在見(jiàn)的比較多的特別是七八十年代輪式、履帶式機(jī)器人相比，研究方法也有所不同。腿足式機(jī)器人的研究工作可以追溯到1968年，像人工智能一樣，經(jīng)歷了兩次高峰，研究過(guò)程中大家發(fā)現(xiàn)，遇到了瓶頸，再往前不好走了，后面一些新的問(wèn)題出現(xiàn)了，比如它的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，在跳的過(guò)程中的柔順控制，包括腿部的主動(dòng)柔順?lè)椒?，在七八十年代八九十年代遇到了困難。

通過(guò)這些年的研究突破了這些內(nèi)容之后，出現(xiàn)了雙足、四足、六足等等足式機(jī)器人不同的發(fā)展方向，雙足機(jī)器人像小的NAO還有現(xiàn)在非常著名的本田(雙足機(jī)器人)的阿西莫（Ashimo）可以走、跑、單足跳、雙足跳、手眼協(xié)調(diào)倒一杯水，美國(guó)的阿特拉斯液壓機(jī)器人主要用于重載，做普通人難以做的工作。

從雙足過(guò)渡到四足特別是多足，學(xué)習(xí)騾馬甚至是虎豹，當(dāng)然更難的是學(xué)羚羊，因?yàn)榭梢圆綉B(tài)規(guī)劃在70度以上的峭壁保持平衡的能力，大負(fù)載、高動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力是四足機(jī)器人研究的主要內(nèi)容。

具體來(lái)講，研究過(guò)程當(dāng)中有很多困難，在地面滑動(dòng)的時(shí)候如何保證它的穩(wěn)定性以及足地交互。人腳在接觸地面的時(shí)候有一個(gè)過(guò)程，有一個(gè)感知過(guò)程，機(jī)器人也是這樣，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的位置規(guī)劃，除此之外還有一些跌倒爬起等的難題。還有在強(qiáng)干擾下的Big Dog可以保持四足穩(wěn)定。

從傳統(tǒng)的控制方法角度去考慮還有幾個(gè)科學(xué)問(wèn)題，一個(gè)足地交互，我們?nèi)绾蝸?lái)適應(yīng)不同的路面，甚至在松軟情況下、泥濘情況下、滑動(dòng)情況下、不平整情況下在落腳的那一刻極短時(shí)間內(nèi)，如何保證這個(gè)問(wèn)題的快速識(shí)別。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)，有16個(gè)自由度、20個(gè)自由度，如何在很短的一個(gè)步態(tài)周期周期里對(duì)這么多自由度的控制對(duì)象進(jìn)行快速自適應(yīng)的控制。

除此之外，還有一些穩(wěn)定性判斷等等都是很傳統(tǒng)的控制問(wèn)題?，F(xiàn)在我們用傳統(tǒng)的方式來(lái)解決，比如用PID、自適應(yīng)控制等基于模型的方法來(lái)研究控制，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)、高性能、高復(fù)雜性。以上是四足機(jī)器人的研究背景和研究?jī)?nèi)容。

從世界上來(lái)看，四足機(jī)器人的研究首先是美國(guó)引領(lǐng)了這個(gè)過(guò)程。首先Raibert在卡內(nèi)梅隆大學(xué)做了一條腿，后來(lái)跑到俄亥俄州立大學(xué)做了一個(gè)四足機(jī)器人KOLT[L1] ，后來(lái)他到MIT后繼續(xù)進(jìn)行腿足式機(jī)器人的研究工作，后來(lái)在DARPA的支持下2004年起從事波士頓動(dòng)力的第一代Big Dog研發(fā)工作，波士頓動(dòng)力的視頻放到Y(jié)outube之后，在世界上引起轟動(dòng)，引起四足機(jī)器人或者腿足式機(jī)器人又一次研究的熱潮。當(dāng)然Big Dog在2004年之后陸續(xù)對(duì)四足機(jī)器人的研究進(jìn)行了非常深入的挖掘。比如他們研制出了LS3這種重負(fù)載的機(jī)器人，研制了Cheetah能快速奔跑。但是由于液壓系統(tǒng)噪聲過(guò)大，從液壓的動(dòng)力走向電動(dòng)的波士頓動(dòng)力Spot機(jī)器人，前不久SpotMini機(jī)器人風(fēng)靡微信圈，不斷被踹倒又起來(lái)做花式舞步，非常不錯(cuò)。

除了美國(guó)之外，日本對(duì)于四足機(jī)器人的研究也是比較早的，除了索尼的AIBO，屬于最早利用動(dòng)物行為仿生來(lái)做高等級(jí)兒童玩具的企業(yè)，幾千元甚至過(guò)萬(wàn)人民幣。還有特種領(lǐng)域東芝做出來(lái)福島探索者，還有TekkenIV，還有對(duì)盲人導(dǎo)航的NSK機(jī)器人。

日本機(jī)器人的特點(diǎn)是大部分用電驅(qū)動(dòng)，除此之外還有韓國(guó)和歐洲的研究成果，比如西班牙電驅(qū)動(dòng)機(jī)器人有點(diǎn)像螃蟹，還有韓國(guó)做的液壓（四足）機(jī)器人的工作。最近網(wǎng)上非?；鸬奶K黎士聯(lián)邦理工（ETH）做的機(jī)器人，突破了純粹的仿生，四條腿可以360度旋轉(zhuǎn)，除了正常的攀爬，遇到非常大的坡或者極端環(huán)境的時(shí)候可以繞一圈360度旋轉(zhuǎn)。ETH機(jī)器人是在意大利技術(shù)研究院（HyQ機(jī)器人）的基礎(chǔ)上做的，他們買了一臺(tái)機(jī)器人HyQ，在四足領(lǐng)域也是非常有名的平臺(tái)。

接下來(lái)我們重點(diǎn)看一下這兩個(gè)非常有名的平臺(tái)，一個(gè)是波士頓動(dòng)力的成果，最早MIT的四足機(jī)器人，Trot步態(tài)，Pace步態(tài)，Bound步態(tài)像虎豹跑跳。

波士頓動(dòng)力之后在04年第一代的波士頓動(dòng)力Big Dog研發(fā)完成，06年播出視頻，它可以上25度坡，下35度坡。25度坡現(xiàn)在國(guó)內(nèi)機(jī)器人都能實(shí)現(xiàn)，但35度坡難度確實(shí)比較大。08年實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)航員模式，到了2010年實(shí)現(xiàn)了自主導(dǎo)航，用可搖動(dòng)的激光雷達(dá)（Lydar）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境的感知自主導(dǎo)航。2010年LS3問(wèn)世，可以馱150公斤，是重載機(jī)器人。從四足角度來(lái)講更實(shí)用，Big Dog只是一個(gè)嘗試。2013年BigDog加了一個(gè)機(jī)械臂，靜態(tài)環(huán)境下機(jī)械臂能抓取磚頭水泥塊，通過(guò)四足維持整個(gè)系統(tǒng)的平衡，水泥塊甩出去的一剎那保持動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性和平衡是非常不容易的。這是波士頓動(dòng)力的發(fā)展（歷程）。

Cheetah在訓(xùn)練桿的幫助下在室內(nèi)跑到40幾公里，26邁的時(shí)速。這是人類腿足式的平臺(tái)第一次突破20邁/小時(shí)，但只能在實(shí)驗(yàn)室里面跑。到了WildCat的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)了室外動(dòng)力源的集成以及快跑，超過(guò)人類跑百米的世界冠軍的速度。最新的研究成果就是剛才說(shuō)的Spotmini，小，可以在室內(nèi)安靜跑，離服務(wù)機(jī)器人又近了一步。

LS3和它的參數(shù)，Wild Cat的參數(shù)。（圖示）

另外一個(gè)研究機(jī)構(gòu)意大利技術(shù)研究院，2007年開(kāi)始研發(fā)，它的負(fù)責(zé)人叫Semini，他們起始于一條腿的研發(fā)，而波士頓動(dòng)力是更傾向于對(duì)于行為學(xué)研發(fā)。

他們從一條腿開(kāi)始研究，體現(xiàn)歐洲人的風(fēng)格，（2015年）在西雅圖的ICRA他們也專門去展覽，并且出了一系列的單元產(chǎn)品，比如做得非常精致小的油缸(液壓缸)、小的控制器甚至實(shí)現(xiàn)腿足協(xié)調(diào)一整套的解決方案。

他們的發(fā)展速度很快，最早HyQ1.0，后來(lái)HyQ1.1，采取主動(dòng)柔順。Big Dog有一個(gè)被動(dòng)彈性，它完全靠液壓控制來(lái)模擬軟著陸，整個(gè)缸體都是硬的，這是主動(dòng)柔順一個(gè)非常好的體現(xiàn)。

后來(lái)出了HyQ1.2，已經(jīng)可以看出它產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)，后來(lái)當(dāng)出現(xiàn)HyQ1.3，整套系統(tǒng)就很完善了，幾乎可以跟波士頓動(dòng)力的成果媲美。

當(dāng)時(shí)的蘇黎士理工訂購(gòu)了一臺(tái)HyQ Blue，現(xiàn)在最新的是HyQ2Max完全電驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)，和蘇黎士理工的機(jī)器人非常像，它的關(guān)節(jié)如果不加限制其實(shí)也可以360度轉(zhuǎn)。Semini未來(lái)的計(jì)劃，首先在HyQ2加了一個(gè)臂，遠(yuǎn)期目標(biāo)是加兩個(gè)臂，從自重負(fù)重比的角度來(lái)講現(xiàn)在不太好說(shuō)到底是多這個(gè)臂是多了負(fù)載還是什么，他堅(jiān)持認(rèn)為加兩個(gè)臂會(huì)更好。

國(guó)內(nèi)上海交大、哈工大、國(guó)防科技大、北理工都有非常好的研究成果，此次國(guó)內(nèi)研究真正說(shuō)起點(diǎn)是2011年國(guó)家863“十二五”主體項(xiàng)目的設(shè)立，一共列了七個(gè)課題四個(gè)項(xiàng)目，后來(lái)在2013年完成了驗(yàn)收，后來(lái)863又給了第二輪支持，在863支持之后，就出現(xiàn)了美國(guó)的LS3在太平洋一個(gè)島上進(jìn)行聯(lián)合軍演的視頻，軍方對(duì)這個(gè)開(kāi)始感興趣，有了今年的無(wú)人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽里面的四足項(xiàng)目，具體的數(shù)據(jù)不方便公開(kāi)。這是國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人發(fā)展的情況。

我們研究的內(nèi)容，我們也跟Semini一樣對(duì)一個(gè)腿進(jìn)行研究，我們這個(gè)腿在落下的過(guò)程中只是做一個(gè)變剛度控制，給它設(shè)定一個(gè)剛度，讓它硬的時(shí)候可以硬一點(diǎn)，從高處落下來(lái)逐漸實(shí)現(xiàn)軟著陸的特征。更深層次的問(wèn)題是如何把變剛度的用法跟用戶行為對(duì)應(yīng)起來(lái)，這個(gè)是很難的事情，不是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型，應(yīng)該是對(duì)行為類似于應(yīng)用到AI類的算法才能解答這個(gè)問(wèn)題。

平衡控制：當(dāng)受到側(cè)向沖擊，整體做一個(gè)平衡的控制。

還有復(fù)雜地形的控制，包括雪地，包括大的陡坡還有滑動(dòng)的情況。對(duì)于復(fù)雜地形的適應(yīng)，我認(rèn)為應(yīng)該也不是一個(gè)固定模式，我們現(xiàn)在給它的規(guī)律，實(shí)際在測(cè)試過(guò)程中還是遇到很多問(wèn)題的。

你的模型并不能覆蓋所有的情況，這就導(dǎo)致了我們總是有解決不了或者解決不好的問(wèn)題。（我們的機(jī)器人）還可以坐一個(gè)人去控制它，我們也實(shí)現(xiàn)了具有避障和領(lǐng)航員模式，領(lǐng)航員在前面走，遇到障礙物可以自己躲開(kāi)。

還有靜態(tài)攀爬，我們的爬坡做到接近30度，BigDog35度是一個(gè)很難的坡度。液壓動(dòng)力雖然功率密度大，但是噪聲很大，我們用單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)狗還沒(méi)看見(jiàn)先聽(tīng)見(jiàn)它的聲了，在軍事上想做偵查，以及想做日常的導(dǎo)游服務(wù)甚至馱運(yùn)服務(wù)這是很痛苦的事，噪音大，我們都得戴耳罩。

另外我們也開(kāi)發(fā)電驅(qū)動(dòng)小的平臺(tái)，最早是本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題，經(jīng)過(guò)兩屆三屆的畢業(yè)設(shè)計(jì)，后來(lái)成立一個(gè)公司來(lái)做這個(gè)事。

動(dòng)物的行為可以模擬出來(lái)，有靜步態(tài)、Tro步態(tài)，Pace步態(tài)，Bound步態(tài)，可以跑得很快，也可以打滾翻起來(lái)，大家可能從外面看到。最早大家很興奮，我們?cè)谝黄鹩懻?，我們既然能把它的行為模仿出?lái)，那么我們能不能把它具有一些狗的特性，而不是僅有狗的動(dòng)作。我們一開(kāi)始非常興奮，覺(jué)得好像它如果模擬一個(gè)小狗，那么能跟人交流該多好。

但是實(shí)際上我們?cè)谧龅倪^(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)真的是無(wú)比困難。我們把這些復(fù)雜的動(dòng)作編輯起來(lái)并不難，難就難在我們?cè)趺粗酪粭l真的狗在什么情況下做出這樣的反應(yīng)或者這樣的動(dòng)作，當(dāng)然我們也集成了像訊飛、Face++等人機(jī)交互的技術(shù)，做的結(jié)果特別卡通。如果說(shuō)真的有好的方法能夠?qū)崿F(xiàn)我們的動(dòng)作更像一條真的小狗的時(shí)候，那將是非常令人激動(dòng)的事情。

仿生機(jī)器人的思考（仿生機(jī)器人研究）本身是交叉學(xué)科的內(nèi)容，現(xiàn)在材料學(xué)的成果，比如人造肌肉等一些成果，是不是能替代?，F(xiàn)在無(wú)論用發(fā)動(dòng)機(jī)還是用電機(jī)都遇到了瓶頸，是不是有新的作動(dòng)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的作動(dòng)方式。

當(dāng)然現(xiàn)在我們并不是空談，石墨烯研究，光敏反應(yīng)特性從原理上有人能夠論證出這個(gè)東西它如何去模仿肌肉，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)。但是光有這個(gè)原理還不行，我們?nèi)绾伟堰@些新的原理用在這上面，就需要我們的控制的東西，甚至AI的東西去處理。有了新的液態(tài)金屬，可以實(shí)現(xiàn)自組織，受控發(fā)育或者可控發(fā)育，這種新的組織方式如果說(shuō)一旦能加入智能的元素進(jìn)去的話，那么它肯定會(huì)很大推動(dòng)機(jī)器人特別是仿生機(jī)器人的發(fā)展。

還有一個(gè)方向就是模塊化自重構(gòu)的機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)著名的機(jī)器人教授田苗老師就提過(guò)，我們機(jī)器人要走模塊化的路子，其實(shí)幾十年前包括德國(guó)、美國(guó)很多人走這個(gè)路子。自重構(gòu)真的能實(shí)現(xiàn)嗎？它的實(shí)現(xiàn)依賴于什么？如何能讓每個(gè)小的模塊，（甚至）成百上千個(gè)小的模塊（的自組織），這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的算法，自己組成（機(jī)器人機(jī)構(gòu)）。我們都看過(guò)《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》成千上萬(wàn)個(gè)模塊組織起來(lái)的可變形的機(jī)器人，每個(gè)模塊都是有智能的，它們之間是什么關(guān)系？它們之間應(yīng)該用什么方法來(lái)控制？它們之間應(yīng)該怎么樣進(jìn)化？這個(gè)是AI的問(wèn)題。

我們現(xiàn)在可控的液態(tài)金屬技術(shù)有了發(fā)展，十幾年以前《終結(jié)者2》液態(tài)金屬機(jī)器人的概念現(xiàn)在已經(jīng)有了苗頭，放到材料學(xué)里面就是液態(tài)金屬，像《審判日》把芯片結(jié)合起來(lái)就是機(jī)器人。

相信在未來(lái)，隨著AI的發(fā)展，隨著交叉學(xué)科、新材料、新原理的出現(xiàn)，一定將推動(dòng)仿生機(jī)器人進(jìn)一步的發(fā)展。謝謝！