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機器人訓練手冊:可以金雞獨立的機器人 Atlas,要怎麼教它走路上台階?

上圖顯示的是 MIT 的一個實驗室,中間吊在繩索上的 360 磅重的仿人機器人,它是雷鋒網曾多次介紹過的 Atlas 機器人,它還能金雞獨立。

這個晃來晃去的重物看上去就像一個金屬娃娃,樣子脆弱並且古怪。但這就是 Atlas,世界上最精密的機器人之一,它由 MIT 計算機科學與人工智能實驗室 Atlas 設計團隊設計,負責人羅斯‧泰得瑞克 (Russ Tedrake) 說,「它的操縱系統比戰鬥機還要復雜」。

Atlas 是進入 DARPA 機器人挑戰賽決賽的 25 個機器人之一,6 月將會在加州的波莫納代表泰得瑞克率領的 MIT 團隊參加為期兩週的決賽。與其它進入決賽的機器人一樣,它的目標是成為最好的搜救機器人。在對人類過於危險的地域,一個可以舉起數百磅重重物和工具車的機器人可以挽救很多人的生命並且不會給人帶來危險。這次挑戰賽是對這些機器人搜救技能的測驗。

MIT 團隊的 Atlas 並不是 6 月裡將用雙肩承載世界的唯一機器人,它還要與另外五個 Atlas 機器人角逐。這幾個 Atlas 使用不同軟體,但都是對同一母體做出一定改變而成。Atlas 除了雙手是來自機器人製造商 Robotiq 公司,其他部分均為 Google 旗下的機器人公司Boston Dynamics 製作。Google 將它捐贈給了 MIT 用於參與比賽。如果要贏得 200 萬獎金,MIT 團隊的機器人就必須得在一個小時內打開一扇門,旋轉一個閥門,用動力鑽在牆上鑽出一個孔,上幾步台階,還要穿越岩石區和坑窪的地面,處理意外任務。另外,它還要駕駛一輛轎車。

在開賽前,連線的記者前往 MIT,為我們帶來了關於 Atlas 的前線報導。

  • 怯場

Atlas 的測試是在靠近 MIT 的一個大車庫裡,裡面有一個大型控制中心,和三個博士生:組長帕特·馬里恩(Pat Marion);「僚機一號」安德烈斯·巴倫蘇埃拉(Andres Valenzuela);「僚機二號」格雷格·伊扎特(Greg Izatt),另有督查操作指揮員,博士後斯科特·奎恩德斯瑪 (Scott Kuindersma)。

在操作中的螢幕上,他們可以看見 Atlas,也能看見 Atlas 看見的東西,但是他們看不見機器人。機器人在房間那頭一個緊關的門後面,身上繫著繩子,防止掉落。Atlas 在挑戰賽和這次演示中的第一個任務是打開緊關的那扇門。泰得瑞克解釋說,自最後一個測試以來,他們移動了房間把手的位置。他們只有一周時間測試 Atlas 在挑戰賽中可能遇到的所有問題。

如果可以在控制中心人工直接操控 Atlas,這個任務不過是小事一樁,但是 MIT 團隊的機器人為自動操作,所以團隊成員不會操縱機器人打開那扇門。團隊成員可以做的只是向機器人發送找到門把手並打開門的指令。機器人會怎樣操作由所裝置的軟體程序決定。

這並不容易完成。正常情況下 Atlas 會用幾分鐘時間,現在卻要用 10 分鐘。他開玩笑說,「機器人看見有人給他拍照害羞了」。首先,測試的進展是良好的。機器人看見了門把手,並且在背部給團隊成員發送了將要執行的操作路線,這顯示他會將自己的左手移到門把手上,抓住,然後向後拉。過程看上去不錯,它的判斷完全正確。

Atlas 用爪狀的手觸摸到了扶手,但是,抓空了。

該團隊於是重新開始,對 Atlas 重新設置。這一次,施加的壓力過大,腳部的傳感器開始反向運動——反作用力使自己離門更遠了。就在團隊嘗試調整的時候,緊閉門後面傳來巨大噪音。螢幕上可以看到機器人在顫抖。三個博士生和那位博士後幾乎同時奔向操作中心並大叫,「快按恢復建,現在!」

馬里恩在鍵盤上發出了快速指令,機器人平穩的站住了。如果他沒有及時的關閉,機器人應該已經摔下去了。在第三次嘗試的時候,Atlas 抓緊了門把手,一下就把門打開了。人們長舒了一口氣。

  • 自動化

MIT 團隊的成員不知道自己的軟體跟其他 5 個 Atlas 團隊相比會怎樣,但是都依賴一個優勢,即自動化,也就是那個讓他們的機器人在緊閉門前抓破頭皮 10 多分鐘的東西。

最終 MIT 團隊的 Atlas 演示完了所有任務(除了駕駛,因為劍橋的法律禁止機器人駕駛)。它轉動了門閥,使用機械鑽給乾板牆鑽了孔,甚至還完成了一個意外的任務——它爬上了一個桌子,拿起了一個電話聽筒。這個動作聽起來容易但是做起來難。機器人需要轉身,尋找目標的位置。它的傳感器在什麼都沒有的時候撿起了某個東西。問題來了,這個東西是什麼呢?

泰得瑞克解釋說,「這個機器人能看見抽象的東西」。「人工操作員通過在機器人程序中定義這些抽象東西幫助實現這一行為」。在螢幕上,這看起來似乎就像模糊的桌狀凝聚物上的像素。馬里恩和巴倫蘇埃拉嘗試弄清這些東西;一旦知道他們看到的是什麼,他們就能在控制器上的材料清單上做出選擇,並在目標的頂部覆蓋木質或塑料的幾何形狀。儘管機器人之前從來沒有見過電話,團隊可以告訴他目標的位置。不到三分鐘,Atlas 就站在我們面前拿著電話在假裝打電話了。

此時,自動化似乎正取得成功。測試的部分任務會在斷電情況下進行,因為在有些時間段機器人與他們的人工操作員不會有聯繫。對於完全依靠遠程操作的機器人,這意味著失去關鍵的時間。理論上說,MIT 團隊的 Atlas 會繼續嘗試執行最近的指令——鑽孔、拿起電話聽筒。所以,MTI 團隊希望其他團隊縱然能在諸如穩定性等其他方面優於自己,自己也能通過斷電導航贏得最後的勝利。

  • 穩定性

但是,對於 Atlas 以及其他的兩足機器人,穩定性都是嚴重的問題。回想一下,人類花多長時間才學會走路——甚至偉大的機器人小說家艾薩克·阿西莫夫警告說,兩足運動的「不平衡控制」是機器人研究真正的挑戰。事實確實如此。在比賽中,不會有任何的安全繩。如果 Atlas 摔倒了怎辦?在真正的比賽中如果摔倒肯定會遭遇失敗,還有件沒有完成的事是摔倒後如何爬起來,雖然機器人有能力爬起來,但是無論如何要讓他站的更穩。

這是非常冒險的一步。一旦摔倒,Atlas 就要離開測試區,重新校準,然後才能回到場地繼續完成任務。Atlas 沒有保護性外殼,很脆弱,容易受損;有些團隊的機器人使用車輪而不使用雙腿移動。

在最終決賽上,這會影響 Atlas 的發揮。任務清單上唯一沒有完成的就是上台階。泰得瑞克和他的團隊設計的軟體程序可以讓 Atlas 爬梯子,但是 DARPA 改變了比賽規則。泰得瑞克承認說,如果他早知道上台階是必選項而穿越岩石區是可以選擇的,他就給機器人裝上輪子了。現在的 Atlas 完全靠雙腿維持穩定性。

這一點在機器人嘗試第一步時就得到了證明。

Atlas 自信的完成了這三步的設置。在房間後部,Atlas 三位人工操作員讓機器人上台階。馬里恩通過弄清機器人的抽像​​數據並將其定義為一個具體的目標,幫助 Atlas 確定台階具體的位置。巴倫蘇埃拉使用 Atlas 的傳感器確保他們會從適當高度上台階。伊扎特核實準備工作一切就緒。馬里恩將機器人可能的立足點標註在它內部的台階地圖上。機器人會給馬里恩,發送一個動畫,顯示自己計劃將要採取的路徑,然後團隊會摁 ok 鍵確認。Atlas 抬起自己的腿,然後重心開始前移。

「嘣」,一聲巨響。螢幕上,Atlas 突然摔倒,從台階上滾了下來。泰得瑞克一直在看著機器人的步伐,目睹了這一切。他大聲叫道,「他的小腿骨受傷了!」支撐絲在台階八字形的位置將 Atlas 吊在懸掛位置。

團隊亂成一團;發生了什麼?台階都是有模式的。Atlas 起始點很不錯的。原來是立足點錯了。團隊讓 Atlas 的腳與台階邊緣靠的太近。

泰得瑞克後來說,「這是我們看到的它走的最差的一次」。問題出在哪呢?Atlas 有臀部。在演示中間的時候 Boston Dynamics 傳出這個消息。這天早些時候,團隊發出了一些解讀;Atlas 製造商讓這三個工程師確保在 6 月 5 號比賽之前完全替換機器人的臀部部件。

那麼可以肯定的是,Atlas 在第一次嘗試轉動門閥之前所有組件都完美運行。雖然這點令人感到安慰,但是其他的比賽要求卻並不令人滿意:比賽那天,Atlas 將必須獨自在電池供電下運行。迄今為止,Atlas 只在這種情況下運行過一個小時。團隊並不知道機器人能堅持多長時間。

  • 正確的問題

Atlas 仿人設計的理念是,為世界或人類服務的機器人應該是人形的。比如,如果機器人將進入一個核電廠阻止核能外洩,由於機器人將要接觸的那些按鍵和工具原本是為人類設計的,那麼將機器人設計成人的高度和人的形狀不會更好嗎?

或許是的。履帶輪比雙腿更加穩定。「它動作笨拙,但是人類移動自如。生物的某些控制機制是科技遠不能達到的。」這在某種程度上就是挑戰的美。

測試結束時,巴倫蘇埃拉說,「有時我覺得機器人很令人遺憾」。他有一個四個月大的兒子,從某方面說他的兒子比 Atlas 要更先進。Atlas 可以行走,而他的兒子不能;Atlas 可以駕駛而他的兒子 16 年內都不能;但他的兒子可以無需幫助而識別目標。Atlas 可以使用激光和相機調查周圍——比他四歲的兒子要更酷——但是他需要人工操作員解釋數據的含義。

幾天之後,Atlas 將會被打包裝進卡車,運到加州。他的人工操​​作員會在競賽前一周和他會合。現在 Atlas 正緊緊的被吊在繩索上。

一個有趣的問題是,當它摔下來的時候有沒感覺像是自己摔倒了?下週就沒有支撐線防止機器人摔倒了,它必須得靠自己的雙腳走路。

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(本文轉載自合作夥伴《雷鋒網》;未經授權,不得轉載)