讓機器狗走梅花樁，讓小摩托自己保持平衡，這是騰訊 Robotics X 實驗室的最新成果。

剛剛，騰訊 Robotics X 實驗室公布了在移動機器人研究方面的新進展：四足移動機器人 Jamoca 和自平衡輪式移動機器人首次對外亮相。 會走梅花樁的機器狗 Jamoca Jamoca 是一款四足機器人，叫機器狗可能更加貼切。和他的前輩們一樣，Jamoca 的出道之路也并不好走。但和前輩們不同的是，Jamoca 要經受的考驗是武俠界用來修煉輕功的道具——梅花樁。

這個梅花樁由若干圓柱體組成，每個圓柱體的截面直徑僅為 20 厘米，各個圓柱體之間間距不規則（20~50 厘米不等），相鄰圓柱體之間最大高度差達到了 16 厘米。騰訊 Robotics X 實驗室研究員表示，與國際上其他四足機器人走木塊的場景相比，此次 Jamoca 所挑戰的梅花樁落腳面積更小、高度更高。Jamoca 也是國內首個能完成走梅花樁復雜挑戰的四足機器人。 在走梅花樁之前，Jamoca 還要爬上一個高 60 厘米、呈 20° 斜面角度的臺階。

在這個組合挑戰下，Jamoca 必須要理解梅花樁的排布（位置和高度）、選擇最佳落腳點及路線并穩定精準地行走，總結起來就是「看得準、選得優、走得穩」，這對它的感知、規劃和控制能力要求極高。

第一步是「看得準」，這需要 Jamoca 實時估計本體、梅花樁、臺階的位置和姿態，定位誤差小于 1 厘米，并進行可視化建模。 第二步是「選得優」，這需要 Jamoca 根據周邊環境進行 10 毫秒級的在線規劃，確保路線最為安全、快捷、省力。 第三步是「走得穩」，Jamoca 基于動力學的實時力矩控制頻率能達到 1kHz，使其能在復雜地形平穩移動，落腳誤差小至 1 厘米。 這些步驟主要涉及兩個技術模塊：感知、運動規劃與控制，騰訊 Robotics X 的研究人員通過整機系統設計與搭建實現了兩個模塊系統性的集成融合。

在精準環境感知方面，Jamoca 實現了魯棒的眼腳標定，并利用 RGB-D 相機對周圍環境進行實時的感知。通過特征點匹配的方式，對 Jamoca 自身的運動軌跡進行在線跟蹤，并將基于視覺的定位信息與基于運動學的里程計信息和 IMU（Inertial measurement unit，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。同時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，將定位和識別的數據進行融合，從而重建出整個三維運動場景。 在最優運動線路規劃和實時的運動控制方面，Jamoca 基于感知系統實時感知到的機器人本體及梅花樁位置信息，基于質心動力學，實現在線的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。 同時，基于實時的本體狀態估計，Jamoca 能夠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。 騰訊表示，不同于預先設計好規則之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，目的就是要在有很大不確定性的動態環境里，能夠實現機器人的自主判斷、自主決策，并自主完成任務。 現階段，Jamoca 主要用于實驗室內部科研實驗。它的在線環境感知、最優運動規劃和實時運動控制等能力，未來將幫助騰訊其他機器人產品更好地適應復雜的現實環境。 自平衡輪式移動機器人 和 Jamoca 一起發布的還有一款自平衡輪式機器人，在傳統輪式移動機器人的基礎上，它增加了動量輪及其電機驅動系統，可以在靜止及行進狀態下均保持平衡不倒。是一款完全由騰訊 Robotics X 實驗室自研的自平衡輪式移動機器人。 從外觀來看，像一輛小摩托，重量約為 15 公斤，長 1.15 米，高 0.52 米：

據騰訊 Robotics X 實驗室介紹說，這款自平衡輪式機器人的控制分為「行進中的動態自平衡」和「停止行進時的靜態自平衡」。

行進中的動態自平衡是依靠前把轉動進而帶動車身的轉動實現；停止行進時的靜態自平衡則采用動量輪力矩平衡技術，應用角動量守恒的原理實現自平衡控制。

在視頻展示中，自平衡機器人可以實現前行中的「拐彎」等方向調整的動作

在行駛過程中，即使受到嚴重外界干擾，比如莫名飛來的足球砸到后輪，小車也能巋然不動：

面對減速帶的阻攔，它能夠以合理的速度保持平穩行駛：

以及，掌握了較強的上下坡、過橋能力：

完整的演示視頻如下：

騰訊也介紹了與這款自平衡輪式機器人相關的背后技術。在近日舉行的 IROS 2020 大會上，騰訊 Robotics X 實驗室該項目的兩篇研究被接收為 Oral 論文。

論文地址：http://ras.papercept.net/images/temp/IROS/files/0732.pdf 在這篇文章中，研究者使用非線性控制技術來擴大無人自行車的穩定域。研究者考慮了兩種情況。在第一種情況中，無人自行車使用飛輪保持平衡，轉角設置為 0，飛輪的扭矩用來控制輸入。該控制器基于級聯與阻尼的無源控制法 (IDA-PBC) 。對于第二種情況，無人自行車使用車把保持平衡，且行駛速度很快。車把的角速度用來控制輸入，平衡控制器是基于反饋線性器設計的。基于 Lyapunov 穩定性理論，研究者從理論上證明了閉環無人自行車的整體穩定性，且在實驗中驗證了所提出的非線性平衡控制器的效果。

論文地址：http://ras.papercept.net/images/temp/IROS/files/2064.pdf 在第二篇論文中，研究者使用增益規劃技術設計了一個有慣性輪的無人自行車平衡控制器。根據自行車的靜止和運動這兩個狀態，需要兩個不同的控制器。該研究建立了一個物理系統，并在實驗中證明了增益規劃控制器的效果。 騰訊 Robotics X 實驗室 騰訊 Robotics X 實驗室于 2018 年成立，致力于推進人機協作的下一代機器人研究，打造虛擬世界到真實世界的載體與連接器。 目前，實驗室主攻移動、靈巧操作和智能體等三大通用機器人技術的研究與應用，并聚焦于多模態移動機器人的研發。其中，移動是機器人最基礎的能力之一，此次發布的兩項進展就屬于移動方向。而移動方向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。前三者可以理解為機器人的軀干、眼睛和大腦，最后一項可以理解為它的各「器官」協調的能力。

該實驗室還與騰訊 AI Lab 構建了「AI + 機器人」的雙基礎布局，能協同思考如何真正連接虛擬和現實世界，并攻克終極難題——通用人工智能。 騰訊 Robotics X 與騰訊 AI Lab 實驗室主任張正友博士表示：「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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