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Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

本文作者:栗向滨 2016-02-25 13:39
导语:来,我们聊一聊刷爆朋友圈的Atlas的进化史。

【编者按】本文作者@沐阳浸月,中科院自动化所复杂系统国家重点实验室研究生,主攻机器人与人工智能。

2016年2月23日,波士顿动力公司(Boston Dynamics)在YouTube上发布了一段关于公司新成果的一段视频,在不到一天的时间就得到了上十万次的点击量,这段视频描述的正是新一代Atlas稳定且出色完成任务的各项场景。

去年年初,为了参加2015年六月初的DARPA机器人挑战赛,Atlas已经完成了自己的一次进化,其全身的百分之七十五都被重新设计了,只有小腿和脚沿用了上一版的设计,新的设计使得它变得更加强壮、快速、安静,并且得益于其身后的电池大背包,它已经脱离了电缆的束缚,我在我的文章《2015年,机器人界发生了哪些神奇疯狂的故事?(上)》的第二点已经有所介绍,写文章的时候我就认为波士顿动力在谷歌的协助和资助下,Atlas一定会在未来的几年以惊人的速度进一步完善。没想到仅仅一年的时间,Atlas就完成了它的再一次的升级,波士顿动力公司的出活效率真是快的惊人。下面我们就来看看Atlas的进化史。

Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(robot/via youtube.com

截止目前,Atlas的的产品迭代大概经历了三个大的版本更新。第一阶段,也就是Atlas的第一版阶段,主要的任务便是如何能像小孩子一样能够稳定的走路。

1、Atlas第一版

Atlas的设计和生产是由国防高等研究计划署(DARPA)负责监督与波士顿动力公司合作。机器人的一只手由Sandia国家实验室开发的,而另一个是由iRobot公司开发。在2013年,DARPA的项目经理吉尔普拉特(Gill Pratt)把Atlas机器人的原型版本和小孩子相比较,他说:“一个1岁的孩子几乎不能走路,1岁的孩子摔倒了很多......这就是我们现在处于的状态。”

 Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(第一版Atlas/via bostondynamics.com

Atlas机器人是基于波士顿动力公司早期的PETMAN人形机器人,它有四个液压驱动的四肢。Atlas机器人由航空级铝和钛建造,身高约1.8米,重达150公斤,蓝光LED照明。Atlas机器人配备了两个视觉系统——一个激光测距仪和一个立体照相机,由一个机载电脑控制。它的手具有精细动作技能的能力。它的四肢共拥有28度的自由度。

Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(第一版Atlas过坑/via youtube.com

稍微说明一下PETMAN人形机器人,PETMAN是一个设计用于检测化学防护衣的人形机器人。为了模拟士兵如何在现实条件下对防护服的作用,PETMAN同样也是可以自然敏捷地运动的。

不同于以往的化学防护衣测试机械有限的运动姿势,PETMAN不仅能平衡自身和自由行走,弯曲身体,而且还能暴露在化学战剂的操作车间里面中做各种对化学防护衣有压力作用的健美体操。 PETMAN还通过模拟防护服内人体生理学来控制温度,湿度和出汗来模仿实际的测试条件。由于PETMAN是一个用于检测化学防护衣的人形机器人,所以由PETMAN出发,波士顿动力发展出了Atlas人形机器人,来实现运动能力的提升。相信大家看了PETMAN,第一印象一定会想到著名游戏反恐精英。

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(PETMAN via bostondynamics.com

我们来说说第一版Atlas主要能完成的任务。第一版的主要特点是Atlas需要一根长长的线进行供电,所以在第一版的各项试验中,你都会看到Atlas一直都拖着一根长长的尾巴。在第一版的试验中我们可以看到,Atlas已经可以完成一部分需要很强平衡性的任务了。

首先,Atlas可以在实验室环境中,走过铺满石块的道路,并一直保持身体平衡不摔倒。其次,在实验室环境中,让Atlas保持单脚站立,引入外部撞击,我们可以通过视频看出,在撞击力不是很大的情况下,Atlas仍能保持单脚站立不摔倒。

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(Atlas被撞击后保持平衡/via youtube.com

然后就是在履带上行走时,在一只脚的行进路线上放置障碍物,当Atlas踩到障碍物的时候,会自动在下一步更新步态,规划下一步的落地点离开障碍物。最后就是在野外环境进行行进实验,实验环境是一片森林,我们可以看到,在野外环境Atlas也能保持较好的平衡性,只是画风有点恐怖而已。

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(Atlas户外实验/via youtube.com

其实第一版也有部分改进,最初的Atlas手部很精细,模仿了人的手部设计,后来可能研究人员觉得它的主要任务不是在精细手部操作,所以就简化成了两个圆柱体的手部。

为了更大的发挥Atlas的潜能与作用,波士顿动力决定在DARPA挑战赛上,选择几个参赛组,就利用Atlas参加比赛,完成挑战任务,挑战成功的队伍可以获得两百万美金的奖励。

第一次的比赛设在2014年的12月份,参赛的六支队伍有NASA’s Jet Propulsion Laboratory、Johnson Space Center、 Virginia Tech、Drexel、Carnegie Mellon 和 SCHAFT。第二次的比赛在2015年6月。

不过虽然在前面的实验室环境,Atlas的表现十分令人满意,但是到了赛场上却是帅成狗,不对,是摔成狗。

我们先来看看DARPA挑战赛要比赛些什么:

Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(via theroboticschallenge.org

首先机器人进入场地之后要自己开车,然后从这里钻出来;

然后开门,钻过一个门;

然后拧开一个阀门;

然后要钻过墙上的一个洞;

接下来会有一个神秘挑战项目……

最后还要搬开一些废墟,救人之类的项目;

最后的最后,走上楼梯,你就成功了!

一个项目完成得一分,最高分8分,最后靠分数决定名次。

但是比赛中,Atlas的表现如下所示……

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(哎呀呀,风好像有点大/ via theroboticschallenge.org

2、Atlas第二版

2015年年年初,为了参加六月初的DARPA机器人挑战赛,Atlas完成了自己的一次进化。也就是Atlas成功进化为第二版。此次变身,Atlas全身的百分之七十五都被重新设计了,只有小腿和脚沿用了上一版的设计,新的设计使得它变得更加强壮、快速、安静,并且得益于其身后的电池大背包,它已经脱离了电缆的束缚。

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(第二版Atlas/via youtube.com

得益于全身升级后的各项组件,新改进的Atlas比第一版本身材更加纤细,体型也更小,更加有效的机载液压泵也使得Atlas机器人在移动速度上更加迅猛。 这样改进的目的也是使Atlas机器人更容易完成一些挑战,例如要求它挤入专为人类设计的空间。所以这款Atlas的目的更多的想放入真正的灾难救援场景。它可以与上位机进行通信,而且它头上的保护绳也可以去掉了。

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(Atlas/ via tech.huanqiu.com

这版Atlas最显著变化是电源和泵。Atlas第二版的供电系统是板载3.7千瓦时的锂离子电池组,在完成包括行走,站立和使用工具等动作的情况下可以持续一个小时。强大的液压泵可以使得Atlas在摔倒时可以有能力自己爬起来。

除了以上两个主要变化,其他的一些小变化如下:

  • 由于采用的材料更加轻便,所以Atlas允许其他材料增加些重量,例如电池和与一个新的泵系统,这两个增重体现在总重量上并没有增加多少,升级后的机Atlas高1.88米,重156.5千克。

  • 重新设定了位置的肩膀和手臂允许在机器人前面增加更多的工作空间,而且这样的设置可以让Atlas看到它自己手臂的运动,这样就会有更多的传感器数据反馈到上位机的操作员了。

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(重新设定了位置的肩膀和手臂允许在机器人前面增加更多的工作空间/via youtube.com

  • 新的电驱动下手臂使得Atlas力量更大,更加敏捷,力量感更强。

  • Atlas在手腕出增加了额外的自由度,所以它只需要通过旋转其手腕就能转动门把手,而不是像以前一样需要转动整个手臂。

  • 三个板载感知计算机位于Atlas的头部,用于感知环境和任务规划,而且它的头上还有一个无线路由器允许其与上位机进行无线通信。

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(三个板载感知计算机位于Atlas的头部,用于感知环境和任务规划 /via  youtube.com

  • 髋部,膝部和背部的尺寸都进行了重新的优化设计使得Atlas有更大的力量。

  • 为了安全操作,Atlas设置了无线紧急制动功能。

  • 新泵的另一个特点就是,Atlas以前安静太多!想想大狗机器人就是因为噪音太大而被美军嫌弃,心还是塞塞的。

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(这版Atlas最显著变化是电源和泵/via youtube.com

这次和上次一样,DARPA仍然为挑战赛的赢家设置了丰厚的奖品:第一名2,000,000刀,第二名1,000,000刀,第三名500,000刀。

3、Atlas第三版

经历了前两版,波士顿动力就在2016年2月23日在YouTube上公布了一段视频,这就是我们看到的Atlas第三版,对于这一版,波士顿动力仅仅在视频下面写下了这么一段话:

“A new version of Atlas, designed to operate outdoors and inside buildings. It is electrically powered and hydraulically actuated. It uses sensors in its body and legs to balance and LIDAR and stereo sensors in its head to avoid obstacles, assess the terrain and help with navigation. This version of Atlas is about 5’ 9” tall (about a head shorter than the DRC Atlas) and weighs 180 lbs.”

Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(Atlas/via youtube.com

除了视频和这段话,波士顿动力并没有公布太多的技术细节和文档,IEEE Spectrum的记者也在电话联系他们想争取到更多的信息。所以我们只能从目前已知的一些资料得出一些信息。

  • 新版的Atlas可以在室内和室外进行实际操作。和第二版的动力一样,Atlas采用电源供电和液压驱动。这也说明,要想有大动力,能源方面目前还只能妥协于液压,尽管噪声还是个不小的问题。

  • Atlas身体内部以及腿部的传感器通过采集位姿数据使其保持身体平衡,它头上的激光雷达定位器和立体摄像机可以使Atlas规避障碍物、探测地面状况以及完成巡航任务。

    Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(Atlas/ via youtube.com

  • 这版的Atlas高1.75米,重82千克,均比上一版的高1.88米,重156千克在轻便上有所提升。

  • 在视频中我们可以看到,Atlas在完成搬箱子的过程中,头上的激光雷达定位器旋转飞快,但是在户外行走的时候,激光雷达定位器却一点都不动,所以极有可能户外行走并不是自主行为,而是人为操控,所以Atlas的自主性有待考证。

  • 在搬箱子、出门推门等过程中我们都看到了黑白格点的纸质标记,所以Atlas目前还需要标记点完成物体识别任务,对物体的识别等机器视觉能力有待提升。

Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(Atlas/via youtube.com

  • 这一版最震撼的还是Atlas摔倒了可以自主爬起来的功能,这个功能相对于其他机器人来讲,性能已经十分优秀了,而且起身的效率也十分高。不过仅仅视频中的摔倒起身还不足以说明Atlas的鲁棒性,因为视频仅仅展示了“狗吃屎”式的摔倒,其他姿势的摔倒起身功能仍有待考证。

虽然更多详细的资料我们还没有看到,但是从视频里面我们已经可以体会到,这一版的Atlas的功能与性能已经有了很大的飞跃。

Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(Atlas/via youtube.com

在视频的末尾,Atlas推开玻璃门扬长而去的背影,让我不禁想起了侏罗纪公园里面迅猛龙学习开门的场景,真是细思极恐啊。

Google那个Atlas机器人,是如何一步一步进化到现在逆天的样子?

(来自侏罗纪公园剧照)

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中科院自动化所复杂系统国家重点实验室研究生毕业,机器学习与计算机视觉方向算法工程师。
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