人形機(jī)器人有著與人極為不同的步態(tài)。膝蓋彎曲、軀干盡可能不動(dòng)。甚至波士頓動(dòng)力公司的Atlas也是用這種蹲著走的方式走動(dòng)，因?yàn)槠淇偸菑澲耐瓤勺屗苊馑さ?。這種步態(tài)在人形機(jī)器人中非常常見(jiàn)，已經(jīng)成為“正?！钡臋C(jī)器人步態(tài)，但這并不像人類(lèi)走路的方式。我們用直腿走路，每邁一步都要鎖住膝蓋，因?yàn)檫@樣更容易支撐我們的體重。你可以自己嘗試一下：像“雙足機(jī)器人”那樣用彎曲的膝蓋走路會(huì)讓人很累，因?yàn)槟愕耐炔考∪庖恢倍夹枰獏⑴c運(yùn)動(dòng)。

在人類(lèi)與機(jī)器認(rèn)知研究所（IHMC），機(jī)器人專(zhuān)家們正在忙著解決這個(gè)問(wèn)題，他們教Atlas更像人一樣走路。除了使人形機(jī)器人更有效率之外，更自然的行走步態(tài)也能讓它們更加靈活，相比于蹲著走路的機(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)更加崎嶇的地形。

大多數(shù)機(jī)器人不會(huì)這樣走路，因?yàn)閺澢南ドw能給它們更多的控制。對(duì)于彎曲的膝蓋，你可以更多地彎曲或伸直它，以幫助你的機(jī)器人保持穩(wěn)定，而直腿意味著平衡必須主要用腳踝來(lái)實(shí)現(xiàn)。你可能會(huì)注意到的另一個(gè)區(qū)別是，彎腿行走的機(jī)器人傾向于把腳抬得筆直，然后再放下來(lái)，而IHMC則教Atlas像人類(lèi)一樣使用“腳趾離地”的動(dòng)作。這樣子走路是一個(gè)更難解決的問(wèn)題，這就是為什么Atlas這樣走路時(shí)看著很奇怪 ——除了極少數(shù)例外（DURUS就是其中之一），人形機(jī)器人不用直腿走路。

為了讓Atlas這樣走路，IHMC開(kāi)發(fā)了一種新的全身控制框架，可以輕推控制器使機(jī)器人伸直腿，而不需要腿對(duì)地面施加明顯的力。通過(guò)讓其他運(yùn)動(dòng)（如機(jī)器人腳的運(yùn)動(dòng)）不受約束，自然的步態(tài)行為（比如腳趾離地動(dòng)作）就會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)。換句話說(shuō)，IHMC沒(méi)有必要專(zhuān)門(mén)編程，這只是控制器為走路時(shí)試圖保持直腿想出的最佳解決方案。毫無(wú)疑問(wèn)，受限制較少的控制器會(huì)產(chǎn)生更自然的步態(tài)，而在現(xiàn)實(shí)世界的測(cè)試中，Atlas能夠在各種地形上行走，甚至可以在腿伸直的情況下對(duì)略有攻擊性的推動(dòng)作出反應(yīng)。

為了了解更多細(xì)節(jié)，我們通過(guò)電子郵件采訪了Robert Griffin，他是發(fā)表在澳大利亞布里斯班舉行的2018年機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議（ICRA2018）上的論文“Straight-Leg Walking Through Underconstrained Whole-Body Control”的第一作者。該論文的另外幾位作者是Georg Wiedebach、Sylvain Bertrand、Alexander Leonessa和Jerry Pratt，他們都來(lái)自IHMC。

IEEE Spectrum：你能否給總結(jié)一下為什么大多數(shù)兩足機(jī)器人都是蹲著走路，而為什么大多數(shù)人并不是這樣走路？

Robert Griffin：人類(lèi)可能會(huì)用較直的腿走路，因?yàn)閺澢耐茸呗沸室偷枚唷Ｖ绷r(shí)膝蓋幾乎不需要用力，而彎曲的膝蓋需要承受很大的力量。然而，用于機(jī)器人的大多數(shù)步行模型假定在整個(gè)步態(tài)中具有恒定的質(zhì)心高度。它們實(shí)現(xiàn)這個(gè)恒定高度的唯一方法就是以蹲著的姿態(tài)走路。另外，規(guī)劃高度軌跡是一個(gè)相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，特別是對(duì)于機(jī)器人需要實(shí)時(shí)計(jì)算軌跡的在線應(yīng)用來(lái)說(shuō)更是如此。這導(dǎo)致大多數(shù)科學(xué)家在開(kāi)放這樣的在線應(yīng)用時(shí)回避了這個(gè)問(wèn)題。最后，蹲著行走可以讓機(jī)器人避免伸直腿，從而避免了遭遇膝關(guān)節(jié)處的奇點(diǎn)的可能，而這個(gè)奇點(diǎn)是很難處理的。

IEEE Spectrum：直腿走路有什么缺點(diǎn)？

Robert Griffin：當(dāng)用直腿走路時(shí)，機(jī)器人的控制能力較差。想想運(yùn)動(dòng)員：他們以“運(yùn)動(dòng)姿態(tài)”略微彎曲膝蓋，以便能夠快速改變方向。當(dāng)你的膝蓋是直的時(shí)，你不能用它來(lái)向地面施加推力。當(dāng)膝蓋彎曲時(shí)，你可以獲得更大的地面反作用力，從而獲得更大的平衡控制力。此外，直腿對(duì)邁步的影響也是不可避免的。這對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)可能很難處理。

IEEE Spectrum：視頻中Atlas走路的方式與我們看到的DORUS的走路方式類(lèi)似。你們的研究與他們的工作有什么關(guān)系？

Robert Griffin：DURUS表現(xiàn)出的步態(tài)非常好，我很高興我們的工作能與之相提并論，因?yàn)槲覀兊难芯亢退麄兊难芯慷荚谂?shí)現(xiàn)更自然、更像人類(lèi)的步態(tài)。據(jù)我所知，他們采取的方法與我們的有很大的不同，他們使用機(jī)器人的混合-零動(dòng)態(tài)進(jìn)行離線優(yōu)化，以確定關(guān)節(jié)設(shè)置點(diǎn)并生成特定的步態(tài)。在我們的方法中，我們沒(méi)有直接為機(jī)器人定義關(guān)節(jié)命令，而是在線計(jì)算所有內(nèi)容，包括動(dòng)態(tài)軌跡。

IEEE Spectrum：較少的約束在多大程度上導(dǎo)致了更自然的行走方式的出現(xiàn)？你覺(jué)得驚訝嗎？

Robert Griffin：在我們的這項(xiàng)研究工作中，我們并沒(méi)有指定一個(gè)期望的高度，我們也沒(méi)有指定腳趾離地時(shí)的腳間距。這使機(jī)器人能夠用更直的腿走路。它還允許機(jī)器人根據(jù)需要使用腳趾離地動(dòng)作。我覺(jué)得首先讓我感到驚訝的是腳趾離地動(dòng)作。我也對(duì)機(jī)器人在必要時(shí)彎曲膝蓋和降低高度來(lái)完成水平任務(wù)的能力感到驚訝。在模擬中，我們能夠讓它使用更長(zhǎng)的單步（從靜止開(kāi)始到一步后的靜止結(jié)束，大約1.5米），以及能夠讓它使用更長(zhǎng)的下降步（大約0.5米）。我們對(duì)于在硬件上嘗試這些倍感興奮，但是還沒(méi)有機(jī)會(huì)去做這樣的嘗試。

IEEE Spectrum：當(dāng)你們說(shuō)你們想讓機(jī)器人“像人類(lèi)一樣穿越類(lèi)似的地形”時(shí)，你能描述一下你們正在考慮什么樣的具體能力嗎？

Robert Griffin：長(zhǎng)期愿景是使機(jī)器人能夠具有像人類(lèi)一樣的移動(dòng)能力，從而它們可以作為真正的人類(lèi)化身。我們接下來(lái)想用這種算法嘗試的是更大的下降步，特別是機(jī)器人不知道它需要向下邁步的不確定情況下。人類(lèi)真的很擅長(zhǎng)這一點(diǎn)，我們的步態(tài)天生就能抵御不確定性。我們現(xiàn)在正在嘗試設(shè)計(jì)方法，使用單一算法讓它既能在準(zhǔn)確的位置落腳（比如在一個(gè)只有少量、稀疏的落腳點(diǎn)的巖石區(qū)域行走時(shí)），又能在精準(zhǔn)失效時(shí)保持穩(wěn)健（例如在具有許多微妙高度的地形上行走時(shí)）。目前我們所擁有的技術(shù)具有非常好的準(zhǔn)確性，而像ATRIAS這樣的機(jī)器人對(duì)不確定性表現(xiàn)出了令人印象深刻的穩(wěn)健性。再思考思考，借助一些技巧，我們可以將這種穩(wěn)健性與準(zhǔn)確性結(jié)合起來(lái)，制作出真正有能力的機(jī)器人。