下樓成功率100%！這個“盲人”機器人無需傳感器，全憑“感覺”，也能上下樓梯自如

作者：Caleb

對于大多數人來說，眼睛是居家旅行必備。

但盲人可能需要依靠多方位感知，比如聽覺等。

這如果換算到機器人身上，就意味著安裝各種傳感器，給予它們“視覺”。

可是，盲人沒有視覺可以繼續生活，機器人要是沒了“視覺”，還能正常工作嗎？

在機器人界，流傳著這么一句話，你們人類做得到的事，我們機器人也都能做到。

于是，這個由俄勒岡州立大學動態機器人實驗室于2017年完成的“盲人機器人”Cassie就誕生了。

Cassie到底有多“盲”呢？

研究人員表示，Cassie在爬樓梯的時候，沒有使用任何計算機視覺或傳感器技術，而是完全依賴于Cassie的“本體感受”或身體意識，向上或向下移動，就像人類一樣。

在俄勒岡州立大學，“盲人”Cassies進行了上下樓梯、在不平坦路面行走的訓練，結果顯示，在10個試驗中，Cassies上樓梯的成功率是80％，下樓梯的成功率達到了100％。

我們還是先來看看Cassies的“翻車”實錄，可以看到，在第七次實驗中，Cassies上第二步臺階時，右腳明顯沒踩穩，從而失去了重心，直接倒在了地上：

不過除此之外，Cassies的表現都算可圈可點。

最近發表于ARXIV上發布的一篇論文中，研究人員解釋到，Cassie可以在樓梯上測試前，工程師們對其進行了虛擬培訓 ，使用了一種稱為“從模擬到真實的強化學習”技術（sim-to-real reinforcement learning）。

論文鏈接：

https://arxiv.org/pdf/2105.08328.pdf

更靠近人類行走模式的Cassie機器人

研究人員表示，機器人爬樓梯已經不是什么新鮮事兒了，只要給機器人安裝上攝像機，利用計算機視覺，機器人也能和人類一樣上下樓梯自如。

但現實情況并非總是如此理想，比如在燈光昏暗的時候，輸入的視覺數據可能就不是最優解。

因此，他們希望開發Cassie這種僅使用“本體感受”或身體意識，來行走或者上下樓梯的機器人，也就是說，更靠近人類行走的方式。

這也不是Cassie第一次進行類似的行走訓練了，不過之前大多是在平地上或小坡上。如今，研究人員發現，通過隨機的交互訓練，也足以讓Cassie學習穩健的行走方式。

用于訓練的樓梯是隨機的。每組樓梯有1到8個單獨的臺階，每級臺階的高度在10厘米到21厘米之間，或24厘米至30厘米之間。小量的噪音（±1厘米）被加入到系統中，這樣臺階就不會完全統一。

在這樣的情況下，研究人員仍然發現，Cassie可以輕而易舉地上下樓梯，盡管下樓梯的時候會出現兩步并作一步的情況，但就整體表現和其平穩程度來看，都是相當值得鼓勵的。

在俄勒岡州立大學的一小段階梯的實驗中，Cassies上下樓均有不俗的表現，在10次反復測試中，Cassies上樓梯的成功率是80％，下樓梯的成功率達到了100％。

研究人員表示，據他們所知，這是雙足人型機器人的第一個控制器（controller），其能很好地支持機器人通過“本體感受”穿越于現實世界的樓梯及其他類似的干擾中。

當然，Cassie也存在一些限制，比如它需要保持恒定的速度，如果在樓梯上太快或太慢，都會讓機器人不知所措。

該小組寫道：“這項工作證明了‘盲人機器人’驚人的運動能力，但也留下了問題，即它們的極限在哪。”

從科學演示到實用性，Cassie的迭代之路尚未停止

Cassie由俄勒岡州立大學的動態機器人實驗室于2017年開發。

從上面的圖片中可以看出，Cassie沒有“頭”，其臀部具有三個自由度，允許雙腿向前和向后移動，還可以同時旋轉。此外，Cassie的動力式腳踝使它可以無需踱步就能長時間地站立就位。

Cassie的項目組由紅極一時的雙足機器人ATRIAS的開發人員組成，其開發公司Agility Robotics聯合創始人Jonathan Hurst表示，Cassie是下一代機器人，旨在吸收從ATRIAS項目中學到的所有知識，并將其構建到功能更強大，更實用的平臺中。

ATRIAS是第一臺展示人的步態動力學，并實現彈簧質量行走的機器人，其可再現人的行走的地面反作用力和質心運動。但是，除了這些科學演示以外，ATRIAS沒有其他的實用價值。

其實，在ATRIAS的設計中，還存在很多未知數。

研究人員從ATRIAS過程中學到了一些關鍵知識，比如，ATRIAS上的支腿配置為4桿聯動裝置，部分目的是為彈簧質量模型實施產生最小的慣性。但是，這種配置會導致一臺電動機在另一臺電動機上起制動器的作用，電動機內部會產生大量功率循環。

經過分析，研究人員所開發出的Cassie的特定腿部配置，能夠使電機體積更小，并且效率比ATRIAS高得多。

密歇根大學工程學教授Jessy Grizzle獲得了首批Cassie機器人的使用權，根據使用體驗，他對Cassie的耐用性尤其興奮，“Cassie很堅固，它是專為實驗機器人的艱苦生活而設計的。原則上，我們不必使用任何類型的安全門架，這使得我們能夠將機器人帶到野外去”。

正如Cassie本就設計為一種實用機器人一樣，Cassie會出現于搜索和救援以及救災等各種緊急危險場景，同時，Cassie也能擔任快遞小哥的職位，進行送貨上門的服務。

Hurst表示，手臂和傳感器也即將安裝到Cassie身上，這將使Cassie能夠跌倒后自行站起來，并且公司還在致力于研究遠程VR式的呈現。

如今社會上很多空間的設計都是為了服務以人類為代表的雙足運動，也就是說，如Cassie般的雙足機器人可能會成為未來最有價值也最可靠的機器人模型。

我們也非常期待看到更多服務社會的雙足機器人邁著穩健的步伐走來。

相關報道：

https://www.engadget.com/a-bipedal-robot-has-learned-to-tackle-stairs-blind-102647481.html

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/agility-robotics-introduces-cassie-a-dynamic-and-talented-robot-delivery-ostrich

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-9596871/Blind-robot-learns-navigate-flight-stairs-time-feeling-way.html