厉害了！腾讯公布首个机器狗，梅花桩上大秀功夫

作者 | 付静

编辑 | 陈彩娴

少林从师数十冬，梅花桩上练真功。持之以恒锐意修，定可成名盖群雄。

中国功夫里，梅花桩是一项重要训练道具。你问我梅花桩是什么？大概就长这样：

诶等等，梅花桩上有个什么生物？

噢，这是鹅厂今天官宣的狗子 Jamoca。

出自腾讯 Robotics X 实验室的 Jamoca 来头不小，它是国内首个能完成走梅花桩复杂挑战的四足机器人。

当然，和 Jamoca「师出同门」的一款小摩托也在刚刚首次对外亮相。

小摩托是一款自平衡轮式移动机器人，其相关研究成果还入选了机器人行业的顶级会议 IROS 2020。

一起康康腾讯 Robotics X 实验室在机器人移动能力上的最新技术突破。

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Jamoca 能跑能跳，还能挑战梅花桩

四足移动机器人我们可能没少听过，其实它就是机器狗。

比如美国波士顿动力公司的一只卖 53 万的网红狗子 Spot。

再比如上个月登上学术期刊 Science Robotics 封面的瑞士狗子 ANYmal。

那么中国的机器狗有哪些亮点？

软件上，腾讯 Robotics X 实验室基于自研的机器人控制技术，为 Jamoca 打造了一个能应对复杂环境的智能大脑。

硬件上，Jamoca 由外部提供的平台改装而成，重约 70 公斤，长 1 米、宽 0.5 米、站高 0.75 米。

软硬件加持下，Jamoca 能行走、小跑和跳跃，自主定位和避障自然不在话下。

真这么强，出来溜溜？

这不，挑战来了——第一步，上高 60 厘米、呈 20° 斜面角度的台阶；第二步，走邻桩最大高度差 16 厘米、间距不等的梅花桩。

这其中，考验狗子移动能力的难点有二：

• 理解梅花桩的排布（包括位置和高度）；
• 选择最佳落脚点及路线并稳定精准地行走（落脚到梅花桩中心点）。

正如腾讯 Robotics X 实验室研究员所说：

和国际上其他四足机器人走木块的场景比较，此次 Jamoca 所挑战的梅花桩落脚面积更小、高度更高，并有台阶的组合，实现的难度要更大。

而这两大难点恰巧对应了鹅厂在移动技术方面深耕的两个核心技术模块：「感知」和「运动规划与控制」。同时，二者通过另一核心技术模块「整机系统设计与搭建」，实现了系统性的集成融合。

从 Jamoca 的挑战来看，它已然达到了这样的标准——误差 1 厘米内的感知定位、根据环境进行的 10 毫秒级路线规划、基于动力学的 1KHz 实时力矩控制、梅花桩中心点 1 厘米内的落脚误差，以及全系统的高度协同。

这背后，其实是腾讯 Robotics X 实验室在这几方面下了功夫：

• 精准环境感知方面，Jamoca 创新性地实现了鲁棒的眼脚标定，并利用 RGB-D 相机对周围环境实时感知；通过特征点匹配的方式，对 Jamoca 自身的运动轨迹在线跟踪；将基于视觉的定位信息与基于运动学的里程计信息和 IMU（惯性测量单元） 数据进行融合，提高了定位追踪的精度和频率；利用算法识别和提取出台阶和梅花桩的表面区域范围和中心点位置，将数据进行融合，重建出整个三维运动场景。
• 最优运动线路规划和实时运动控制方面，Jamoca 基于实时感知到的本体及梅花桩位置信息，基于质心动力学，实现在线质心轨迹生成和落脚点规划。在保证机器人的四条腿可以安全地踏到下一步的梅花桩的同时，优化出一条本体移动长度最短、综合耗力最小的运动轨迹，并且可以在线持续地进行上述运动规划。
• 基于实时本体状态估计，Jamoca 能结合质心动力学模型来构建优化问题，实时求解机器人足端所需的地面反作用力，并结合反馈控制实现精准鲁棒的实时力控，可完成行走、对角小跑以及跳跃等的运动控制。

总而言之，相比一些预先设计好规则后做重复运动的工业机器人，Robotics X 实验室更关注机器人有意识、有判断的自主特性研究，希望有很大不确定性的动态环境里，机器人学会自主做决策、完成任务。

现阶段，Jamoca 主要用于实验室内部科研实验，未来它还能帮助机器人小伙伴们更好地适应复杂的现实环境，小小期待一下它成名盖群雄的模样吧。

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小摩托静止、行进自主保持平衡

就在 Jamoca 苦苦练功的时候，师兄小摩托在国际上已经小有名气了。

小摩托大名叫做自平衡轮式移动机器人，也可称之为自平衡自行车，是腾讯 Robotics X 实验室的首个整机自研机器人。

此前举行的机器人顶会 IROS 2020 上，腾讯 Robotics X 实验室联合国际团队，发布了两篇平衡控制方向的 Oral 论文。

一是与纽约大学的论文《自平衡轮式移动机器人的非线性平衡控制：设计与实验》，主要关注自平衡轮式移动机器人的动静态平衡控制的稳定性问题。

在传统轮式移动机器人的基础上，腾讯 Robotics X 实验室增加了动量轮和电机驱动系统，使用了级联与阻尼配置的无源控制（Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control, IDA-PBC）方法，并应用李雅普诺夫理论，从理论上证明了自平衡轮式移动机器人的闭环系统稳定性。

二是《自平衡轮式移动机器人平衡的增益规划控制器设计》——不同于传统的静动态平衡区分对待，研究团队建立了可以同时描述轮式移动机器人动态特性和静态特性的统一数学模型。

基于统一模型，动态平衡和静态平衡对不同驱动输入的依赖程度不同，无法使用同样的控制参数。因此，研究团队使用了基于增益规划（Gain Scheduling）的控制方法，在两种情况下都能保持轮式机器人的平衡。

两份研究展现了小摩托软件方面的研发思路。

而硬件上，该平台完全由腾讯 Robotics X 自研，重约 15 公斤，长 1.15 米，高 0.52 米。

再看看小摩托究竟有多稳。

比如试着放一杯咖啡上去。

静止、前进、转弯，都不用担心咖啡洒出来。

这是由于：

1、相比传统的轮式移动机器人，小摩托增加了动量轮及电机驱动系统。

2、它的控制能力可细分为行进中的动态自平衡和停止行进时的静态自平衡，应用角动量守恒的原理实现自平衡控制。

甚至鹅厂员工狠心攻击，依靠平衡算法的小摩托也毫无压力。

芜湖~再来上个坡。

在不同的路面状况下，都表现出了较好的运动能力和平衡性能。甚至对于行驶路径上存在特定约束的情况，比如沿着独木桥行驶的场景，它也能从容应对。

移动是机器人最基础的能力之一，而移动又可分为四个技术模块：机械设计、感知、运动规划与控制、整机系统设计与搭建。

通俗的说，前三者是机器人的躯干、眼睛和大脑，最后一项则是各“器官”协调的能力。

不论是 Jamoca 还是小摩托，都是腾讯在机器人移动能力方向上的重要研究进展。

正如腾讯 Robotics X 与腾讯 AI Lab 实验室主任张正友博士所说：

移动或运动能力，是机器人最核心、也是最基本的能力之一，决定了它能去到什么场景，做什么事情，未来有什么样的想象力。我们很高兴能看到这两项进展，并将继续深入探索机器人的通用能力，为虚拟到真实世界搭建一个有力的桥梁。

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