四足機器人「技術躍變」：如何成爲「地面的大疆」？
1950年，英國數學家艾倫·圖靈提出，當一個測試者與一個計算機程序進行對話，如果測試者無法區分程序的回答是由人類還是計算機生成的，那麼該計算機程序被認爲具備與人類智能相當的能力。
這便是AI領域赫赫有名的圖靈測試。在通用足式機器人領域，也有類似的測試：如果機器人能夠在任意情況下抓取任意的杯子，那麼該機器人便具備了真正的運動智能。
要通過這個測試非常困難，其中，機器人必須具備極強的感知能力，與環境進行實時交互，不斷調整運動控制，纔有可能完成任務，整個“感知到控制”的閉環是完全實時、動態、無法預先設定的。
通用足式機器人公司逐際動力創始人張巍直言，機器人要通過類似測試，“比自動駕駛還難”。原因在於，自動駕駛僅解決移動（mobility）的問題，即從A點到B點，只需要位置關係的感知；足式機器人在此基礎上，還增加了接觸關係感知，比如地形感知、觸覺感知。機器人必須要通過這兩種感知做實時交互，實現移動，然後執行操作（manipulation），才能被稱之爲運動智能。
現階段四足機器人的窘境在於，多數機器人處於「弱感知」階段，只有微弱的感知或者用了少量數據，甚至是沒有感知，行動能力十分受限，效率不高且通過複雜場景的魯棒性較低。
張巍表示，機器人的核心是運動，包括“腿”的移動和“手”的操作。而運動智能化的核心來源於感知，這類感知指的是基於複雜場景的實時感知。機器人基於實時感知進行決策、控制，完成整個運動的閉環。
技術「躍變」：從被動輸入數據到主動感知交互
移動機器人按照移動結構可大致分爲兩類：以底盤爲重心的輪式，與動物和人類相似的足式（四足、雙足）。
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輪式機器人主要在結構化道路上進行運動，典型的如酒店配送機器人。這類機器人技術已經非常成熟，各大細分賽道已經出現了許多明星公司。但輪式機器人的不足之處在於，地形的適應能力較差，很難克服樓梯、凹凸不平的路面、野外等非結構化的場景；並且，輪式機器人有一個比較重的底盤，來支撐機身保持穩定，但這個底盤除了承重和搭載傳感器以外，能夠執行的任務比較有限。
張巍告訴雷峰網，如果機器人要像“人”一樣提供各種服務，腿的結構至關重要，因爲“有腿的機器人末端自由度更高”。而且機器人必須具備實時調整重心的能力，保持平衡，提高負載自重比，才具備複雜場景運動的基本能力，這是輪式機器人沒辦法做到的。
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基於此，張巍認爲，未來的機器人會往兩個方向發展。一個是「專用機器人」，即單一或者簡單場景下，機器人能夠根據人設定的流程代替人高效地執行任務，比如工廠的AGV/AMR、配送機器人等等。另一個則是「通（多）用機器人」，即機器人要滿足複雜地形、場景，執行多種任務。
現階段，「專用機器人」已經殺成一片紅海，不論是送餐、酒店，還是工廠，都已經出現了許多機器人公司，從拼技術到卷價格，最終到渠道和服務，已經漸漸跑通商業閉環。而足式機器人才剛剛起步，即便四足、雙足機器人已不是新鮮事物，但市面上還沒有一款真正具備智能的足式機器人產品。
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這一現象的本質原因，在於當前的足式機器人缺少「感知」。
“機器人本質上是理解用戶指令，然後根據機器人收集的環境信息，讓電機轉起來，實現運動控制。”張巍表示，要實現精準高效的控制，這與環境感知密不可分。
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舉個例子，足式機器人要上下樓梯，需要知道樓梯與自身的相對位置（實時）、什麼地形、踩哪兒、用多少力…在這些感知信息的基礎上，自主規劃路線、姿態等等，整個過程都是動態的，而非預先設定的運動控制。
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機器人實際上是通過感知來理解環境，再通過關節來產生作用力，實現控制運動，所有的運動都會有環境反饋。這裡面既有位置關係的感知，也有接觸式感知，將二者完美融合起來的難度非常之大。並且，機器人與環境交互需求越大，根據實時感知環境來重新規劃動作（而不是按照事先預設流程）就越難，本身的控制和穩定性問題會更難。
簡單而言，足式機器人必然要與環境產生感知交互，對應的任務不是提前設置好的動作流程，直接進行replay，而是根據現場情況進行動態感知，並實時規劃動作。
張巍表示，機器人要“類人”，一定要跟環境交互，否則就沒有智能而只是一個機器，很難產生真正的價值，實現商業閉環。但是，從環境感知到運動控制，這又是一件非常難的事情。
當前四足機器人的兩個瓶頸：效率、穩定性
相當一段時間裡，足式機器人都默默無聞。直到來自MIT的 Patrick Wensing 和Benjamin Katz 分別開源了兩套影響深遠的方案之後，越來越多的玩家躬身入局，越來越多的機器狗從實驗室走向公衆視野，這個行業才漸漸被看到，接着有了資本助力，產品開始落地到具體場景。
雖然現在不少機器狗可以行走、爬樓梯甚至跳舞、翻跟斗，但從做一個demo展示到實際量產甚至落地到具體、複雜的業務場景，仍然會遇到兩個問題：效率低，以及穩定性弱。
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比如，機器狗在通過非結構化地面時，速度不高，而且缺乏穩定性，容易“趴窩”。
張巍認爲，這一問題的本質，甚至是足式機器人還沒有很好的商業化落地的原因之一就在於，這些機器人缺少 Perceptive Locomotion（基於感知的運動控制）。沒有感知，意味着機器人的運動失去了“眼睛“，只能靠盲走，就像閉上眼睛的人直立行走，一定會走得歪歪斜斜，因爲缺少感知來實時調整路線。
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當前，機器人的控制主要有兩種方法，一種是基於模型（Model）的控制，一種是基於學習（Learning）的控制。這兩種方法都是爲了解決同一個「最優控制」的問題，控制機器人的本體以最好的姿態高效、高質量地完成動作，卻也有不同之處。
“Model是用解析模型做推演、設計控制；Learning是減少使用Model的顯性表達，用仿真器來預測控制的效果。實際上，Learning本質上也是基於模型的，仿真器都是基於模型設計，但是更側重於強化學習，需要機器人反覆迭代、試錯來改進其控制器。”
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打個比方，在高空飛行的飛機，從A點到B點，可以用一個固定的模型來解決；但如果機器在低空環境中飛行，會遇到建築物、動植物、飛行物等複雜場景，機器人需要自己辨別障礙物是什麼、怎麼避開、怎麼實現控制等，就需要Learning。
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換句話說，複雜場景的感知交互，一定要用到Learning。機器人需要把各種傳感器（攝像頭、IMU、雷達）的數據融合起來，先構建一個高精度地形圖，然後定位、規劃行走，行走過程中不斷進行感知，實時調整運動控制。
現階段，機器人行業專注於基於感知的運動控制的有Boston Dynamics、Anybotics、逐際動力LimX Dynamics等。Boston Dynamics 是業內最領先的足式機器人公司，而逐際動力也正在進行追趕，並走了一條差異化路線。
張巍告訴雷峰網，逐際動力既有Model-based的控制，也有Learning-based的控制，這兩種方法有各自適合的任務，通過模型數據混合的方式來做迭代。
在足式機器人的功能方面，逐際動力的路線是，首先完成腿部的基本功能，例如高效穩定地上下樓梯、穿越複雜地形；然後攻克全身運動的問題，即運動+操作；最後將產品打磨足夠穩定之後，針對細分場景進行作業。
目前，逐際動力已經可以實現帶感知的運動控制，雖然成熟度上相對於Boston Dynamics還有待提高，但能力已經接近。在陡峭的、真實的鏤空的工業場景下，逐際動力的機器人已經可以實現穩定的上下樓梯，以及克服草地石板路、斜坡等各類場景。
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逐際動力：先打造全地形移動底盤，做“地面的大疆”
張巍本科畢業於中國科技大學自動化系， 2005年開始在美國普渡大學攻讀博士學位，研究基於模型的混雜動態系統的控制（Hybrid Dynamical System）。
博士後期間，張巍加入了加州伯克利分校的Hybrid System 實驗室，導師爲美國工程院院士Claire Tomlin和Shanker Sastry ，該實驗室的著名人物還包括李澤湘、馬毅等。
2011年9月，張巍加入俄亥俄州立大學，在電氣與計算機工程系先後擔任助理教授和長聘教授，繼續從事混雜動態系統控制的研究和教學。值得一提的是，MIT開源方案核心人物之一的Patrick Wensing，彼時也還在俄亥俄州立大學學習機器人與控制理論。直到2014年，Patrick Wensing才前往MIT仿生機器人實驗室，負責足式機器人的控制算法。
張巍認爲，機器人的足在踩踏地面時，是一個離散事件，並且速度和系統狀態會發生跳變，本質上就是Hybrid Dynamical System。如何系統地控制這類運動，是張巍一直在研究的課題。
2019年5月，張巍回國加入南方科技大學，擔任機械與能源工程系教授，創辦了機器人控制與學習實驗室（CLEAR LAB），並指導學生開始以強化學習的方式訓練足式機器人，並於三年後下場創業，成立了逐際動力。
張巍告訴雷峰網，逐際動力是通用足式機器人公司，先要解決機器人的核心痛點：全地形移動能力，即像人一樣移動，人能去的地方，機器人都能去。
鑑於當前四足機器人欠缺複雜場景移動能力、效率低能耗高的等問題，逐際動力對機器人進行了「系統升級」，包含兩方面，一是以感知爲核心的運動控制，二是將足式和輪式的優點結合，形成輪足式。
“逐際動力要解決的是複雜場景下，四足機器人從A點穩定快速地到B點。至於機器人的使用場景，是巡檢、配送，還是裝了機械臂做更復雜的工作，將結合客戶本身的業務去做落地。”
就像大疆的無人機，在天空上飛來飛去，客戶可以用來拍照、撒農藥，也可以用來巡檢、表演，而逐際動力打造的是“地面的大疆”——全地形移動底盤，並推出了首款四輪足產品W1。
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W1 基於逐際動力「運動智能Motion Intelligence」研發，將腿式和輪式結構相結合，具備實時地形感知與全地形移動能力，在效率上比單純的足式機器人更高效，適用場景也更加豐富、複雜，可以實現上下樓梯、斜坡、伏地穿越、過草地石板路等功能。
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張巍表示，四足機器人已經有足夠的技術積累，基礎研究與商業化的交集業已出現。現階段能落地併產生價值的，首先是封閉場景，例如危險、複雜的工業環境，代替人的工作，這類環境比較可控，機器人能很快適應；開放場景存在的不可控因素太多，比如人爲干擾、突發事件等，不太容易落地。
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因此，逐際動力計劃首先將W1在固定路線上落地，如工業巡檢、物流配送、特種作業等場景，並持續打磨產品；在固定路線跑通後，再逐步嘗試開放場景，循序漸進，最終打通四足機器人的廣泛應用。
機器人，大時代
從世界第一臺機器人誕生至今，機器人的發展已接近百年曆史。每一次技術革命都將給機器人的發展帶來強大的助推力：能源、信息、大數據、芯片、人工智能…都推動了機器人持續進化，從簡單的模仿到惟妙惟肖，從實驗室走向生產生活，從不能行動到穩定行走，從輪式到四足再到雙足。
如今，機器人已經以各種形態融入人們的生產生活，比如掃地機器人、工業機器人。雖然現階段的機器人還比較“笨”，距離通過“圖靈測試”還有很長一段距離。不過，技術本身是「涌現」出的，誰也無法預測這個「奇點」。
但無可爭議的是，正如人的進化史一樣，機器人也在慢慢進化，且終將迎來一個新的時代。
雷峰網長期關注機器人行業報道，即將推出《中國足式機器人簡史》。讀者若有一手信息、觀點、故事、項目，歡迎添加作者微信 nanshu0126 交流。
