關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人；模仿學(xué)習(xí)；運(yùn)動(dòng)性能評(píng)估
技術(shù)方案：智能體位姿追蹤系統(tǒng)
1、研究背景
從公元前3500年人類發(fā)明了輪子開始，輪式工具極大地提高了交通和運(yùn)輸效率。但在不斷的使用過(guò)程中，輪式運(yùn)動(dòng)方式的局限性逐漸暴露：即對(duì)山地、丘陵、臺(tái)階等復(fù)雜地形的適應(yīng)性差。四足哺乳動(dòng)物可以在崎嶇復(fù)雜的地形自如行走，因?yàn)?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">四足運(yùn)動(dòng)方式落足點(diǎn)是離散的，可以跨過(guò)障礙，而且沒有橫向約束，可以多方位移動(dòng)，而且足端運(yùn)動(dòng)和軀干質(zhì)心解耦可以起到隔振作用，保證質(zhì)心穩(wěn)定。
四足機(jī)器人以四足動(dòng)物為仿生對(duì)象，在具有比雙足機(jī)器人更具穩(wěn)定性的同時(shí)，又比六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
從20世紀(jì)60年代開始，針對(duì)四足機(jī)器人的研究已經(jīng)陸續(xù)開展，目前四足機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工廠巡檢、地震救災(zāi)、未知環(huán)境探索甚至地外行星探索，具有廣闊的沿用前景。
BigDog、ANYmal等大型四足機(jī)器人對(duì)于復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的運(yùn)載能力，但是對(duì)于管道或者廢墟縫隙等狹窄空間，考慮到其體積，大型四足機(jī)器人很難進(jìn)行探索和作業(yè)；而sub-2g等微型四足機(jī)器人，雖然體積小可以在狹窄空間穿越，但是由于絕對(duì)負(fù)載能力低，無(wú)法滿足探索和運(yùn)輸任務(wù)。開發(fā)一個(gè)具有一定移動(dòng)能力和負(fù)載能力的小型機(jī)器人至關(guān)重要。
2、北理工SQuRo仿生機(jī)器鼠研制
老鼠因其細(xì)長(zhǎng)身形和敏捷運(yùn)動(dòng)能力，可以在狹窄環(huán)境快速運(yùn)動(dòng)，吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。北京理工大學(xué)福田敏男教授團(tuán)隊(duì)骨干成員石青教授及其帶領(lǐng)的仿生機(jī)器人團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了一款機(jī)器大鼠SQuRo。
/ 機(jī)器鼠SQuRo
研究人員先利用X光獲取并研究大鼠的運(yùn)動(dòng)骨骼關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，大鼠能在狹窄環(huán)境靈活運(yùn)動(dòng)，主要依賴來(lái)于：三自由度頸椎運(yùn)動(dòng)、脊柱屈伸和側(cè)屈、四肢運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化和參照設(shè)計(jì)，為機(jī)器鼠模型配置12自由度（頸部2自由度，腰部2自由度，四肢各2自由度）。機(jī)器鼠尺寸為188×55×90mm，重220g，與8周大的大鼠相當(dāng)。
/機(jī)器鼠自由度配置
團(tuán)隊(duì)提出一種多模態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制框架，根據(jù)環(huán)境不同切換運(yùn)動(dòng)策略，可以實(shí)現(xiàn)更快速穩(wěn)定的響應(yīng)。
為了驗(yàn)證機(jī)器鼠基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)性能，石青教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，包括蹲起、行走、爬行、轉(zhuǎn)向等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明SQuRo機(jī)器鼠可以高效且靈活的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而且其轉(zhuǎn)彎半徑只有66mm（0.48個(gè)身體長(zhǎng)度）。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，研究人員還進(jìn)行了通過(guò)不規(guī)則通道、爬坡、攜帶負(fù)載及跨越障礙等特殊場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)，以上測(cè)試SQuRo均可順利完成，其負(fù)載可以達(dá)到200g（自重的91%），并且能穿越30mm高的障礙物。
3、機(jī)器鼠穩(wěn)定性優(yōu)化
在研制仿生機(jī)器鼠的過(guò)程中，需要對(duì)機(jī)器鼠的俯仰角、彎曲角、彎曲距離等動(dòng)作姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以量化指標(biāo)評(píng)估機(jī)器鼠性能。
凌云光·元客視界方案工程師搭建了2mx2m的緊湊空間，采用9臺(tái)光學(xué)動(dòng)作捕捉相機(jī)，精確地對(duì)機(jī)器鼠的頭部、背部、腿部、尾部等重要測(cè)試部位進(jìn)行追蹤。由于機(jī)器鼠關(guān)鍵部位尺寸都極其細(xì)小，而且自重很輕，為了在輕量化負(fù)重前提下精準(zhǔn)獲取關(guān)鍵部位的位置信息，凌云光·元客視界提供了定制的3mm標(biāo)記點(diǎn)，針對(duì)細(xì)小的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)獲取機(jī)器鼠的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息。
/動(dòng)捕系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地
4、機(jī)器鼠運(yùn)動(dòng)生成策略研究
此外，石青教授團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了仿生機(jī)器鼠-真實(shí)大鼠交互的研究。將機(jī)器鼠放入真實(shí)大鼠社會(huì)，獲取動(dòng)物行為反饋，有助于了解大鼠的決策制定過(guò)程，比如運(yùn)動(dòng)方式、伴侶選擇、捕食者-獵物相互作用等。在此過(guò)程中，機(jī)器鼠運(yùn)動(dòng)越接近真實(shí)大鼠運(yùn)動(dòng)，得到動(dòng)物行為反應(yīng)越好。但是不同時(shí)間大鼠同一行為的運(yùn)動(dòng)特征是不同的，因此合適的運(yùn)動(dòng)生成策略至關(guān)重要。
在之前的研究中，研究人員嘗試過(guò)單次編程或人工操作等方式來(lái)控制大鼠運(yùn)動(dòng)，但效果都不理想。為了生成接近真實(shí)大鼠的自然運(yùn)動(dòng)，石青教授團(tuán)隊(duì)提出一種利用模仿學(xué)習(xí)(IL)的運(yùn)動(dòng)生成策略。模仿學(xué)習(xí)方法不需要傳統(tǒng)編程語(yǔ)言控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，只需要提供一組專家的行為演示數(shù)據(jù)。利用這些演示數(shù)據(jù)，機(jī)器人可以自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)控制程序。
/動(dòng)物演示、策略優(yōu)化及仿真系統(tǒng)架構(gòu)
首先，將兩只大鼠（分為demo rat和valid rat）放置于捕捉空間內(nèi)，大鼠關(guān)節(jié)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)粘貼小型標(biāo)記點(diǎn)，利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集兩鼠交互運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。大鼠間交互運(yùn)動(dòng)典型動(dòng)作包括理毛(AG)、接近(AP)、跟隨(FO)、遠(yuǎn)離(MA)、后頸攻擊(NA)、鉗制(PI)、社交性鼻子觸碰(SNC)。首先用Optitrack采集200000幀大鼠交互數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集(training set)，對(duì)預(yù)測(cè)塊進(jìn)行訓(xùn)練。另外采集200000幀數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集(validation set)，用于在交互仿真系統(tǒng)中評(píng)估算法。
在仿真系統(tǒng)中，兩只機(jī)器鼠分為demo robot和policy robot，demo robot直接根據(jù)驗(yàn)證集數(shù)據(jù)復(fù)制demo rat的運(yùn)動(dòng)行為，policy robot根據(jù)模仿學(xué)習(xí)生成的行為指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)關(guān)注指標(biāo)包括行為相似度、有效交互時(shí)間以及專注時(shí)段。通過(guò)結(jié)果可以看出policy robot可以生成接近動(dòng)物的行為，而且機(jī)器人間交互持續(xù)時(shí)間比大鼠間的增加了16%，專注時(shí)段也更長(zhǎng)。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雖然是將真實(shí)交互數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)進(jìn)行的，但是由于驗(yàn)證集和訓(xùn)練集數(shù)據(jù)不同，而且是利用同一套動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集的大鼠數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為仿真系統(tǒng)中demo robot的行為與現(xiàn)實(shí)大鼠行為一致。后續(xù)研究人員也會(huì)進(jìn)行大鼠-機(jī)器鼠真實(shí)場(chǎng)景下交互實(shí)驗(yàn)。
5、國(guó)產(chǎn)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)助力高校科研
元客視界是凌云光設(shè)立的全資子公司，主要面向元宇宙虛擬現(xiàn)實(shí)、Web3.0時(shí)代數(shù)字人、沉浸媒體、全息通信、計(jì)算光學(xué)成像等應(yīng)用，已形成光場(chǎng)建模、運(yùn)動(dòng)捕捉、全景成像、XR拍攝在內(nèi)的產(chǎn)品布局。
FZMotion光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是凌云光·元客視界自主開發(fā)的運(yùn)動(dòng)捕捉采集與分析系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量并記錄三維空間內(nèi)點(diǎn)的軌跡、剛體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及人體動(dòng)作，空間定位精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)。
FZMotion動(dòng)捕系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)室內(nèi)定位、仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)械臂示教學(xué)習(xí)、氣浮臺(tái)位姿驗(yàn)證、水下運(yùn)動(dòng)捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)與清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校開展合作。凌云光·元客視界致力于為高校提供完備的解決方案，助力科研發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] Xie H, Jia G, Al-Khulaqui M, et al. A Motion Generation Strategy of Robotic Rat Using Imitation Learning for Behavioral Interaction[J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2022, 7(3): 7351-7358.
[2]Shi Q, Gao J, Wang S, et al. Development of a Small-Sized Quadruped Robotic Rat Capable of Multimodal Motions[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2022.
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