當機器人遇見強化學習，會碰出怎樣的火花？
一名叫Cassie的機器人，給出了生動演繹。
最近，24歲的中國南昌小伙李鐘毓和其所在團隊，用強化學習教Cassie走路，目前它已學會蹲伏走路和載重走路等。
相關論文以《雙足機器人魯棒參數(shù)化運動控制的強化學習》（ReinforcementLearningforRobustParameterizedLocomotionControlofBipedalRobots）為題，已被機器人國際學術頂會ICRA收錄。
智慧垃圾分揀機器人應用領域通過強化學習，它能自己走路，并能進行自我恢復。在現(xiàn)實世界中，通過反復試驗來訓練大型機器人會很危險，為解決這些問題，李鐘毓所在小組使用了兩個不同的仿真環(huán)境。
研究中，一個虛擬版本的Cassie，通過與環(huán)境交互產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，來學習穩(wěn)定的步態(tài)。
習得的步態(tài)控制器，被轉(zhuǎn)移到名為SimMechanics的第二個仿真環(huán)境中進行驗證，該環(huán)境有更高的準確性，可用以模擬現(xiàn)實世界的物理過程，但是會減慢仿真運行速度。
而通過使用在仿真環(huán)境中學習的步態(tài)控制器，Cassie能非常平穩(wěn)地行走，且無需進行任何額外微調(diào)。它不僅能像人類一樣前后左右地走，還能蹲著走，也能承受意料之外的負載，更能從強行推動造成的失穩(wěn)狀態(tài)中恢復過來。
智能分揀機器人上市公司比如，在測試期間，Cassie損壞了它右腿的兩個電機，但它仍能調(diào)整其步行策略、并進行適應。
機器人如何更魯棒？答案是強化學習
Cassie是李鐘毓所在的HybridRoboticsGroup實驗室、從美國AgilityRobotics公司買來的，它大概有一米多高，內(nèi)部擁有十個電機，以及二十個自由度。
據(jù)他介紹，Cassie于2017年首次開始出售，他從2019年開始接觸，目前已經(jīng)研究兩年有余。
并聯(lián)分揀機器人關鍵技術買來后，其主要用于測試和驗證不同算法，如控制算法和導航控制算法等。在李鐘毓這里，Cassie更像是一個研究平臺。
事實上，足式機器人的核心正是控制算法。研究中，李鐘毓主要使用Python進行編程，主體代碼由其所在小組搭建，剩余一部分基于其他學者的開源代碼。
由于是二足機器人，算法控制上會更難。而該研究的創(chuàng)新點在于，用強化學習的方法，得到控制二足機器人步態(tài)的算法，相比傳統(tǒng)基于模型的算法，性能可得到顯著提升。
由此帶來的魯棒性也比較強，怎么推它都不會倒，即便在幾乎快要摔倒的情況下，也能快速恢復穩(wěn)定狀態(tài)，這也是業(yè)內(nèi)首次展示出二足機器人如此穩(wěn)定的性能。
在強化學習之前，傳統(tǒng)基于模型的方法，需要很多時間和技巧給機器人做建模，尤其對于二足機器人而言，一旦其自身性質(zhì)和周圍環(huán)境發(fā)生改變，比如電機壞了、地面摩擦力有變化，模型很有可能就會失效。
其次，對于雙足式的機器人系統(tǒng)，其非線性非常高，并且由于是高自由度的混合系統(tǒng)，每一次踏步都會受到地面沖擊力，因此很難獲得精確模型。
而要想做一個實時控制算法，就要使用相對完整的動力學模型。但是，即便具備好的模型，部署在非常高自由度的非線性系統(tǒng)上，也很難做到較快的實時計算。
因此，使用傳統(tǒng)方法時，很多學者都會做出權衡取舍，比如往往用簡化模型來做控制算法。
這樣做出的算法有兩個缺點：一是無法完整利用動力學模型，無法充分發(fā)揮機器人系統(tǒng)的靈敏性；二是基于模型的算法，一旦超過其穩(wěn)定區(qū)域，算法就會輕易崩潰。
而強化學習的優(yōu)點在于，通過相對完整的機器人動力系統(tǒng)，Cassie在仿真環(huán)境反復嘗試后，就能獲得大量和環(huán)境交互的數(shù)據(jù)，從而學會用穩(wěn)定步態(tài)行走。
圖|本次研究的核心：基于強化學習的步態(tài)控制器
如上圖所示，這是本次研究提出的基于學習的步行控制器，控制器的輸入包括所期望的步態(tài)參數(shù)、期望的轉(zhuǎn)彎偏航速度、由期望的步態(tài)參數(shù)解碼的參考步態(tài)、一段時間內(nèi)的觀察到的機器人狀態(tài)以及控制器的輸出。
另據(jù)悉，控制器可輸出十個電機的期望位置，通過低通濾波器后，可被發(fā)送到各個關節(jié)處的PD控制器產(chǎn)生期望的電機力矩。
兩大創(chuàng)新，讓Cassie可模仿各種步態(tài)
李鐘毓告訴DeepTech，該研究主要有兩大創(chuàng)新點。
第一個創(chuàng)新點，在于采用了步態(tài)庫，里面有各種各樣不同的步行速度和步行高度的步態(tài)，比如有1米每秒的前進速度、0.3米每秒的側(cè)向行走速度、和0.7米的步行高度下的步態(tài)。這樣就能在步態(tài)庫中各取所需，從而讓機器人模仿不同的參考步態(tài)，同時還能追蹤參考步態(tài)的速度和步行高度。
通過步態(tài)庫，在訓練中使用神經(jīng)網(wǎng)絡所代表的控制器，就能控制不同的步行速度和步行高度，比如往前或者往后。此外，不同步態(tài)之間還可實現(xiàn)來回切換。
此外，步態(tài)庫還能提供更多參考動作，Cassie在仿真學習時，就能見到各種步態(tài)，同時還能學會在各種動作下保持平衡。
如下圖所示，Cassie滑了一跤，幾乎差點摔倒，但在用安全繩把自己拉起來后，它能迅速恢復穩(wěn)定步態(tài)，這個能力是前所未有的，而且李鐘毓也并未就該能力，專門訓練過它。
也就是說，這是Cassie通過在訓練中模仿各種步態(tài)，并讓自己從不同步態(tài)的過渡中“自摸學會”的能力，這在大部分基于模型控制算法的機器人身上很難實現(xiàn)。
試想一下，如果機器人自己倒在地上，沒有人扶它，無論對它自己還是對周圍人都非常危險。
藥品分揀機器人視覺第二個創(chuàng)新點在于，結合了機器人的歷史輸入和輸出，從而實現(xiàn)對Cassie和其所在環(huán)境的在線系統(tǒng)辨識。
圖書館分揀機器人這樣，控制器就能讓Cassie適應不同的環(huán)境，比如不同地面的摩擦力。
測試中，Cassie的兩個電機壞了，但它仍能快速適應系統(tǒng)變化。再比如，把不同重物放在Cassie身上，即便拉著后面的安全架，它也能迅速適應這種變化。
圖書分揀機器人的前景據(jù)悉，該研究由李鐘毓所在的、由Prof.KoushilSreenath帶領的課題組，和伯克利大學Prof.SergeyLevine、以及Prof.PieterAbbeel兩個課題組合作。
李鐘毓所在的小組，專注于機器人和控制算法領域，其他兩個小組則是強化學習方面的專家。此外，該工作的成功也離不開團隊成員程旭欣、XueBinPeng、GlenBerseth的共同努力。
可應用于災后搜救和快遞“最后一公里”
相比其他機器人，Cassie有更大的運動空間，因為人類社會的環(huán)境，主要圍繞人類需求而建造。而二足控制算法，能讓Cassie在人類環(huán)境中更好地運動比如爬樓梯，這也是輪式機器人無法實現(xiàn)的。
具體應用中，當發(fā)生地震時，Cassie能在塌房中做救援工作；或者在“最后一公里”的快遞中，在此之前先用快遞車運送到固定地方，但因為收件人一般在室內(nèi)，這時Cassie就能替代快遞小哥，把快遞當面送給用戶。
此外，Cassie這類二足機器人，形態(tài)上和人類相似，人類也更傾向于和它們做更好的交互，比如可以給其設計富有感情的動作，冷冰冰的機器也能變得更有溫度。
李鐘毓之前的論文《動畫Cassie：一個可讀的動力學機器人角色》（AnimatedCassie：ADynamicRelatableRoboticCharacter），首次用動畫軟件給Cassie設計了富有表情的動作，并使用基于模型的軌跡優(yōu)化的算法，設計出來的動作能讓Cassie在現(xiàn)實世界中復現(xiàn)出來，上述論文也入選了IROS2020最佳娛樂應用論文。
據(jù)悉，這也是首次在二足機器人上做這種嘗試，Cassie也因此能用肢體語言表達感情和人交互。
未來，李鐘毓會就Cassie的算法技術做以局部開源，相關研究方法已經(jīng)以論文形式發(fā)表，以推動足式機器人的進步。
看好中國機器人發(fā)展態(tài)勢，博士畢業(yè)后或?qū)⒒貒l(fā)展
談及研究中難忘的事情，李鐘毓表示，當時仿真訓練做了很久都“顆粒無收”，不過此前也沒有學者能一次就做成功。
仿真訓練模型，非常難以部署到真實世界中。畢竟真實環(huán)境和仿真環(huán)境的差異非常大。為此，他折騰很久都沒有眉目，導師也勸他再做不出來就要換方向。
但他秉持“不是有希望才堅持，而是堅持才有希望”的想法，首次把訓練得到的控制器部署在Cassie就取得了成功。
實驗成功后，他激動得給導師發(fā)了一條短信，導師知道后也非常振奮。這等于無需進行算法調(diào)參，開發(fā)好就能直接部署到機器人上。
李鐘毓生于1996年，來自江西南昌，本科就讀于浙江大學竺可楨學院，學習機械電子工程，大四時申請到去卡內(nèi)基梅隆大學機器人研究所做科研實習。
在那里，他專門在機器人Ballbot的開發(fā)，該機器人能在一個球上保持平衡，并能帶領盲人避開障礙物，這也為他后續(xù)工作夯實了基礎。
由于表現(xiàn)優(yōu)秀，本科畢業(yè)后，CMU的導師把其推薦到伯克利大學機械系控制和機器人方向直博。
今年他在讀博二，雖然畢業(yè)去向還未明朗，但他認為回國是很好的選擇。因為他認為，中國現(xiàn)在有非常成熟的機器人平臺，兩足機器人也有著很好的發(fā)展空間。
原文標題：24歲浙大畢業(yè)生研發(fā)兩足機器人，已學會蹲伏走路和載重走路，應用于“最后一公里快遞”和災后搜救|專訪
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