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少林從師數十冬，梅花樁上練真功。持之以恒銳意修，定可成名蓋群雄。
中國功夫里，梅花樁是一項重要訓練道具。你問我梅花樁是什么？大概就長這樣：
誒等等，梅花樁上有個什么生物？
噢，這是鵝廠今天官宣的狗子 Jamoca。
出自騰訊 Robotics X 實驗室的 Jamoca 來頭不小，它是國內首個能完成走梅花樁復雜挑戰的四足機器人。
當然，和 Jamoca「師出同門」的一款小摩托也在剛剛首次對外亮相。
小摩托是一款自平衡輪式移動機器人，其相關研究成果還入選了機器人行業的頂級會議 IROS 2020。
一起康康騰訊 Robotics X 實驗室在機器人移動能力上的最新技術突破。
四足移動機器人我們可能沒少聽過，其實它就是機器狗。
比如美國波士頓動力公司的一只賣 53 萬的網紅狗子 Spot。
再比如上個月登上學術期刊 Science Robotics 封面的瑞士狗子 ANYmal。
那么中國的機器狗有哪些亮點？
軟件上，騰訊 Robotics X 實驗室基于自研的機器人控制技術，為 Jamoca 打造了一個能應對復雜環境的智能大腦。
硬件上，Jamoca 由外部提供的平臺改裝而成，重約 70 公斤，長 1 米、寬 0.5 米、站高 0.75 米。
軟硬件加持下，Jamoca 能行走、小跑和跳躍，自主定位和避障自然不在話下。
真這么強，出來溜溜？
這不，挑戰來了——第一步，上高 60 厘米、呈 20° 斜面角度的臺階；第二步，走鄰樁最大高度差 16 厘米、間距不等的梅花樁。
這其中，考驗狗子移動能力的難點有二：
理解梅花樁的排布（包括位置和高度）；
選擇最佳落腳點及路線并穩定精準地行走（落腳到梅花樁中心點）。
正如騰訊 Robotics X 實驗室研究員所說：
和國際上其他四足機器人走木塊的場景比較，此次 Jamoca 所挑戰的梅花樁落腳面積更小、高度更高，并有臺階的組合，實現的難度要更大。
而這兩大難點恰巧對應了鵝廠在移動技術方面深耕的兩個核心技術模塊：「感知」和「運動規劃與控制」。同時，二者通過另一核心技術模塊「整機系統設計與搭建」，實現了系統性的集成融合。
從 Jamoca 的挑戰來看，它已然達到了這樣的標準——誤差 1 厘米內的感知定位、根據環境進行的 10 毫秒級路線規劃、基于動力學的 1KHz 實時力矩控制、梅花樁中心點 1 厘米內的落腳誤差，以及全系統的高度協同。
這背后，其實是騰訊 Robotics X 實驗室在這幾方面下了功夫：
精準環境感知方面，Jamoca 創新性地實現了魯棒的眼腳標定，并利用 RGB-D 相機對周圍環境實時感知；通過特征點匹配的方式，對 Jamoca 自身的運動軌跡在線跟蹤；將基于視覺的定位信息與基于運動學的里程計信息和 IMU（慣性測量單元） 數據進行融合，提高了定位追蹤的精度和頻率；利用算法識別和提取出臺階和梅花樁的表面區域范圍和中心點位置，將數據進行融合，重建出整個三維運動場景。
最優運動線路規劃和實時運動控制方面，Jamoca 基于實時感知到的本體及梅花樁位置信息，基于質心動力學，實現在線質心軌跡生成和落腳點規劃。在保證機器人的四條腿可以安全地踏到下一步的梅花樁的同時，優化出一條本體移動長度最短、綜合耗力最小的運動軌跡，并且可以在線持續地進行上述運動規劃。
基于實時本體狀態估計，Jamoca 能結合質心動力學模型來構建優化問題，實時求解機器人足端所需的地面反作用力，并結合反饋控制實現精準魯棒的實時力控，可完成行走、對角小跑以及跳躍等的運動控制。
總而言之，相比一些預先設計好規則后做重復運動的工業機器人，Robotics X 實驗室更關注機器人有意識、有判斷的自主特性研究，希望有很大不確定性的動態環境里，機器人學會自主做決策、完成任務。
現階段，Jamoca 主要用于實驗室內部科研實驗，未來它還能幫助機器人小伙伴們更好地適應復雜的現實環境，小小期待一下它成名蓋群雄的模樣吧。
就在 Jamoca 苦苦練功的時候，師兄小摩托在國際上已經小有名氣了。
小摩托大名叫做自平衡輪式移動機器人，也可稱之為自平衡自行車，是騰訊 Robotics X 實驗室的首個整機自研機器人。
此前舉行的機器人頂會 IROS 2020 上，騰訊 Robotics X 實驗室聯合國際團隊，發布了兩篇平衡控制方向的 Oral 論文。
一是與紐約大學的論文《自平衡輪式移動機器人的非線性平衡控制：設計與實驗》，主要關注自平衡輪式移動機器人的動靜態平衡控制的穩定性問題。
在傳統輪式移動機器人的基礎上，騰訊 Robotics X 實驗室增加了動量輪和電機驅動系統，使用了級聯與阻尼配置的無源控制（Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control, IDA-PBC）方法，并應用李雅普諾夫理論，從理論上證明了自平衡輪式移動機器人的閉環系統穩定性。
二是《自平衡輪式移動機器人平衡的增益規劃控制器設計》——不同于傳統的靜動態平衡區分對待，研究團隊建立了可以同時描述輪式移動機器人動態特性和靜態特性的統一數學模型。
基于統一模型，動態平衡和靜態平衡對不同驅動輸入的依賴程度不同，無法使用同樣的控制參數。因此，研究團隊使用了基于增益規劃（Gain Scheduling）的控制方法，在兩種情況下都能保持輪式機器人的平衡。
兩份研究展現了小摩托軟件方面的研發思路。
而硬件上，該平臺完全由騰訊 Robotics X 自研，重約 15 公斤，長 1.15 米，高 0.52 米。
再看看小摩托究竟有多穩。
比如試著放一杯咖啡上去。
靜止、前進、轉彎，都不用擔心咖啡灑出來。
這是由于：
相比傳統的輪式移動機器人，小摩托增加了動量輪及電機驅動系統。
它的控制能力可細分為行進中的動態自平衡和停止行進時的靜態自平衡，應用角動量守恒的原理實現自平衡控制。
甚至鵝廠員工狠心攻擊，依靠平衡算法的小摩托也毫無壓力。
蕪湖~再來上個坡。
在不同的路面狀況下，都表現出了較好的運動能力和平衡性能。甚至對于行駛路徑上存在特定約束的情況，比如沿著獨木橋行駛的場景，它也能從容應對。
移動是機器人最基礎的能力之一，而移動又可分為四個技術模塊：機械設計、感知、運動規劃與控制、整機系統設計與搭建。
通俗的說，前三者是機器人的軀干、眼睛和大腦，最后一項則是各“器官”協調的能力。
不論是 Jamoca 還是小摩托，都是騰訊在機器人移動能力方向上的重要研究進展。
正如騰訊 Robotics X 與騰訊 AI Lab 實驗室主任張正友博士所說：
移動或運動能力，是機器人最核心、也是最基本的能力之一，決定了它能去到什么場景，做什么事情，未來有什么樣的想象力。我們很高興能看到這兩項進展，并將繼續深入探索機器人的通用能力，為虛擬到真實世界搭建一個有力的橋梁。
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