關(guān)鍵詞：四足機器人；模仿學習；運動性能評估
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輸效率。但在不斷的使用過程中，輪式運動方式的局限性逐漸暴露：即對山地、丘陵、臺階等復雜地形的適應性差。四足哺乳動物可以在崎嶇復雜的地形自如行走，因為四足運動方式落足點是離散的，可以跨過障礙，而且沒有橫向約束，可以多方位移動，而且足端運動和軀干質(zhì)心解耦可以起到隔振作用，保證質(zhì)心穩(wěn)定。
四足機器人以四足動物為仿生對象，在具有比雙足機器人更具穩(wěn)定性的同時，又比六足機器人機械結(jié)構(gòu)簡單。
從20世紀60年代開始，針對四足機器人的研究已經(jīng)陸續(xù)開展，目前四足機器人已經(jīng)廣泛應用于工廠巡檢、地震救災、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等大型四足機器人對于復雜環(huán)境適應能力強，具有較強的運載能力，但是對于管道或者廢墟縫隙等狹窄空間，考慮到其體積，大型四足機器人很難進行探索和作業(yè)；而sub-2g等微型四足機器人，雖然體積小可以在狹窄空間穿越，但是由于絕對負載能力低，無法滿足探索和運輸任務(wù)。開發(fā)一個具有一定移動能力和負載能力的小型機器人至關(guān)重要。
2、北理工SQuRo仿生機器鼠研制
老鼠因其細長身形和敏捷運動能力，可以在狹窄環(huán)境快速運動，吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。北京理工大學福田敏男教授團隊骨干成員石青教授及其帶領(lǐng)的仿生機器人團隊設(shè)計研發(fā)了一款機器大鼠SQuRo。
/ 機器鼠SQuRo
研究人員先利用X光獲取并研究大鼠的運動骨骼關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。通過分析發(fā)現(xiàn)，大鼠能在狹窄環(huán)境靈活運動，主要依賴來于：三自由度頸椎運動、脊柱屈伸和側(cè)屈、四肢運動。經(jīng)過簡化和參照設(shè)計，為機器鼠模型配置12自由度（頸部2自由度，腰部2自由度，四肢各2自由度）。機器鼠尺寸為188×55×90mm，重220g，與8周大的大鼠相當。
/機器鼠自由度配置
團隊提出一種多模態(tài)運動規(guī)劃控制框架，根據(jù)環(huán)境不同切換運動策略，可以實現(xiàn)更快速穩(wěn)定的響應。
為了驗證機器鼠基礎(chǔ)運動性能，石青教授團隊進行了一系列實驗，包括蹲起、行走、爬行、轉(zhuǎn)向等，實驗結(jié)果證明SQuRo機器鼠可以高效且靈活的進行運動，而且其轉(zhuǎn)彎半徑只有66mm（0.48個身體長度）。針對實際應用場景，研究人員還進行了通過不規(guī)則通道、爬坡、攜帶負載及跨越障礙等特殊場景實驗，以上測試SQuRo均可順利完成，其負載可以達到200g（自重的91%），并且能穿越30mm高的障礙物。
3、機器鼠穩(wěn)定性優(yōu)化
在研制仿生機器鼠的過程中，需要對機器鼠的俯仰角、彎曲角、彎曲距離等動作姿態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，以量化指標評估機器鼠性能。
凌云光·元客視界方案工程師搭建了2mx2m的緊湊空間，采用9臺光學動作捕捉相機，精確地對機器鼠的頭部、背部、腿部、尾部等重要測試部位進行追蹤。由于機器鼠關(guān)鍵部位尺寸都極其細小，而且自重很輕，為了在輕量化負重前提下精準獲取關(guān)鍵部位的位置信息，凌云光·元客視界提供了定制的3mm標記點，針對細小的結(jié)構(gòu)精準獲取機器鼠的運動姿態(tài)信息。
/動捕系統(tǒng)實驗場地
4、機器鼠運動生成策略研究
此外，石青教授團隊還進行了仿生機器鼠-真實大鼠交互的研究。將機器鼠放入真實大鼠社會，獲取動物行為反饋，有助于了解大鼠的決策制定過程，比如運動方式、伴侶選擇、捕食者-獵物相互作用等。在此過程中，機器鼠運動越接近真實大鼠運動，得到動物行為反應越好。但是不同時間大鼠同一行為的運動特征是不同的，因此合適的運動生成策略至關(guān)重要。
在之前的研究中，研究人員嘗試過單次編程或人工操作等方式來控制大鼠運動，但效果都不理想。為了生成接近真實大鼠的自然運動，石青教授團隊提出一種利用模仿學習(IL)的運動生成策略。模仿學習方法不需要傳統(tǒng)編程語言控制機器人運動，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)，機器人可以自動生成運動控制程序。
/動物演示、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)點粘貼小型標記點，利用動作捕捉系統(tǒng)采集兩鼠交互運動數(shù)據(jù)。大鼠間交互運動典型動作包括理毛(AG)、接近(AP)、跟隨(FO)、遠離(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)作為訓練集(training set)，對預測塊進行訓練。另外采集200000幀數(shù)據(jù)作為驗證集(validation set)，用于在交互仿真系統(tǒng)中評估算法。
在仿真系統(tǒng)中，兩只機器鼠分為demo robot和policy robot，demo robot直接根據(jù)驗證集數(shù)據(jù)復制demo rat的運動行為，policy robot根據(jù)模仿學習生成的行為指令進行運動。實驗關(guān)注指標包括行為相似度、有效交互時間以及專注時段。通過結(jié)果可以看出policy robot可以生成接近動物的行為，而且機器人間交互持續(xù)時間比大鼠間的增加了16%，專注時段也更長。
實驗驗證雖然是將真實交互數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)進行的，但是由于驗證集和訓練集數(shù)據(jù)不同，而且是利用同一套動作捕捉系統(tǒng)采集的大鼠數(shù)據(jù)，可以認為仿真系統(tǒng)中demo robot的行為與現(xiàn)實大鼠行為一致。后續(xù)研究人員也會進行大鼠-機器鼠真實場景下交互實驗。
5、國產(chǎn)動作捕捉系統(tǒng)助力高?？蒲?/strong>
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、Web3.0時代數(shù)字人、沉浸媒體、全息通信、計算光學成像等應用，已形成光場建模、運動捕捉、全景成像、XR拍攝在內(nèi)的產(chǎn)品布局。
FZMotion光學運動捕捉系統(tǒng)是凌云光·元客視界自主開發(fā)的運動捕捉采集與分析系統(tǒng)，可以實時跟蹤測量并記錄三維空間內(nèi)點的軌跡、剛體的運動姿態(tài)以及人體動作，空間定位精度可以達到亞毫米級。
FZMotion動捕系統(tǒng)在無人機室內(nèi)定位、仿生機器人運動規(guī)劃、機械臂示教學習、氣浮臺位姿驗證、水下運動捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應用，目前已經(jīng)與清華大學、中國科學技術(shù)大學、北京大學、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校開展合作。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
[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.
