作者：Aaron Aupperlee，卡內基梅隆大學

卡內基梅隆大學和伯克利的研究人員設計的機器人系統允許小型、低成本的有腿機器人在具有挑戰性的環境中機動。

這個小機器人幾乎可以去任何地方

卡內基梅隆大學計算機科學學院和加州大學伯克利分校的研究人員設計了一個機器人系統，使一個低成本和相對較小的腿部機器人能夠爬上和走下接近其高度的樓梯；穿越巖石、濕滑、不平、陡峭和多變的地形；走過空隙；攀登巖石和路邊；甚至在黑暗中操作。

卡內基梅隆大學計算機科學學院的助理教授Deepak Pathak說："賦予小型機器人爬樓梯和處理各種環境的能力，對于開發在人們的家中以及搜救行動中有用的機器人至關重要。"這個系統創造了一個堅固和適應性強的機器人，可以執行許多日常任務。”

研究小組對機器人進行了測試，在公共公園不平坦的樓梯和山坡上測試，挑戰它走過墊腳石和濕滑的表面，并要求它爬樓梯，而對于它的身高來說，爬樓梯就像人類躍過障礙物一樣。該機器人依靠其視覺和小型機載計算機，迅速適應并掌握了具有挑戰性的地形。

研究人員用4000個克隆的機器人在一個模擬器上進行訓練，在那里他們練習在具有挑戰性的地形上行走和攀爬。模擬器的速度使機器人在一天之內獲得了六年的經驗。模擬器還將它在訓練期間學到的運動技能儲存在一個神經網絡中，研究人員將其復制到真正的機器人上。這種方法不需要對機器人的動作進行任何手工設計，這與傳統的方法不同。

大多數機器人系統使用攝像頭來創建周圍環境的地圖，并在執行之前使用該地圖來計劃動作。這個過程是緩慢的，而且往往會由于映射階段固有的模糊性、不精確性或誤解而影響后續的計劃和運動。繪圖和計劃在專注于高級控制的系統中是有用的，但并不總是適合低級技能的動態要求，如在具有挑戰性的地形上行走或跑步。

新系統繞過了測繪和規劃階段，直接將視覺輸入導向機器人的控制。機器人看到的東西決定了它如何移動。甚至連研究人員都沒有指定腿應該如何移動。這種技術使機器人能夠對迎面而來的地形作出快速反應，并有效地通過它。

由于不涉及地圖或計劃，而且動作是通過機器學習訓練的，所以機器人本身可以是低成本的。該團隊使用的機器人比現有的替代品至少要便宜25倍。該團隊的算法有可能使低成本的機器人更廣泛地使用。

"這個系統直接使用視覺和身體的反饋作為輸入，向機器人的電機輸出指令。"卡內基梅隆大學計算機科學學院機器學習專業的博士生Ananye Agarwal說："這種技術使該系統在現實世界中非常穩健。如果它在樓梯上滑倒，它可以恢復。它可以進入未知的環境并適應。"

這種直接從視覺到控制的方面是受生物啟發的。人類和動物使用視覺來移動。試著閉著眼睛跑步或保持平衡。該團隊以前的研究表明，盲目的機器人--沒有攝像頭的機器人--可以征服具有挑戰性的地形，但是增加視覺并依靠這種視覺大大改善了該系統。

該團隊還從大自然中尋找該系統的其他元素。對于一個小型機器人--在這種情況下，不到一英尺高--來說，要想攀爬樓梯或接近其高度的障礙物，它要學會采用人類用來跨過高大障礙物的動作。

當人類不得不高高抬起腿來攀爬壁架或障礙物時，它用臀部將腿向外側移動，稱為外展和內收，給它更多的間隙。帕塔克團隊設計的機器人系統也是如此，利用臀部外展來應對障礙物，而這些障礙物會絆倒市場上一些最先進的腿部機器人系統。

四條腿的動物的后腿運動也啟發了該團隊。當一只貓在障礙物中移動時，它的后腿會避開與前腿相同的物品，而沒有附近的眼睛。"四條腿的動物有一種記憶，使它們的后腿能夠跟蹤前腿。我們的系統以類似的方式工作 "帕塔克說。該系統的板載存儲器使后腿能夠記住前面的攝像頭所看到的東西，并進行機動以避免障礙物。

加州伯克利大學的博士生Ashish Kumar說："由于沒有地圖，沒有規劃，我們的系統記住了地形和前腿的移動方式，并將其轉化為后腿，這樣做既迅速又完美。“

這項研究可能是朝著解決腿部機器人所面臨的現有挑戰并將它們帶入人們的家庭邁出的一大步。由Pathak、伯克利大學教授Jitendra Malik、Agarwal和Kumar撰寫的論文 "使用以自我為中心的視覺在具有挑戰性的地形中進行腿部運動"，將在即將于新西蘭奧克蘭舉行的機器人學習會議上發表。

美國卡內基梅隆大學機器人學院成立于1979年，旨在對與工業和社會任務相關的機器人技術進行基礎和應用研究。尋求將實踐與理論相結合，機器人學院在致力于實現機器人技術潛力的同時保留了其最初的目標，即在機器人科學方面進行了多種努力和方法。該設施包括位于匹茲堡主要校園的約100,000平方英尺，位于勞倫斯維爾的國家機器人工程中心的100,000平方英尺，并且還在不斷增長。

卡內基梅隆大學擁有世界領先的機器人技術。引導NASA的火星探測器的軟件和凱迪拉克的防碰撞系統都是在卡內基梅隆大學開始研究的。 現在，科學家正在開發幫助老人做家務的機器人，以及登月機器人。

卡內基梅隆大學是世界第一所專門開設機器人系的大學。學校的機器人系也就是目前的機器人研究所（Robotics Institute (RI)），開設在計算機科學學院（School of Computer Science）下。卡內基梅隆大學的機器人研究所成立于1979年，進行機器人技術相關產業的基礎研究和應用研究。30余年前，機器人研究所打開了機器人新時代夢想的大門。目前，研究所結合理論和實踐經驗，已經在機器人科學領域有了多樣化發展，不過仍保留有最初的目標：成為全球研究機器人的最好的地方。