大家都知道，踢足球是一項快速運動，運動員必須能夠在快速移動中控球，并準確進行轉球，射門等一系列動作。這些動作對于人類來說并不困難，只要稍加訓練，也能掌握基本的技能。然而，機器人踢足球并不是一個簡單的事情，如果足球機器人能夠在運動中不輕易摔倒，而且能夠準確地踢到球，而不是踢到自己的隊友，就已經(jīng)是非常大的進步了。
既然這樣，為什么要讓機器人來踢足球呢？當然不是為了觀賞。足球這項運動是相當復雜的，研發(fā)機器人足球運動員需要一次性解決幾乎所有的經(jīng)典人工智能問題，這才是科學家們對此孜孜以求的意義所在。足球運動中，機器人需要在動態(tài)的環(huán)境中找到自己的位置，正確地執(zhí)行程序設定好的戰(zhàn)術安排。目前，在機器人研發(fā)領域，開發(fā)者面臨的最大挑戰(zhàn)就是運動的靈活性，因此足球比賽就成為了機器人研發(fā)者的最佳練兵場和交流會。
定位：通過攝像頭和無線電了解世界
每一名教練員都需要確保自己球隊的戰(zhàn)術細節(jié)不被泄露出去。在機器人足球世界杯中，這一點顯得尤為重要，因為所有的隊伍都在為爭奪技術進步的桂冠而努力。機器人世界杯分為不同的比賽組，包括小型機器人、中型機器人、遙控機器人等。其中，在標準平臺組中，參賽隊伍需要使用統(tǒng)一的機器人進行比賽，大家比拼的是軟件開發(fā)水平。由法國Aldebaran Robotics公司研制的人工智能機器人NAO已經(jīng)連續(xù)幾年被選為標準平臺組的專用機器人，NAO機器人的運作完全是程序自動控制的，不能通過遙控控制。但是，這并不意味著標準平臺組的比賽會比較簡單，恰恰相反，最困難的事情就是機器人之間的團隊合作。只有整個系統(tǒng)都正確運行的時候，球隊才有可能贏得比賽。所以，在機器人世界杯中，最受歡迎和關注的永遠是機器人“球員”幕后聰明的計算機科學家。
機器人通過彩色攝像機掃描周圍的環(huán)境，形成機器人世界模型（世界模型中保存球場上所有物體的絕對位置、速度等信息）的一部分。但是，基于色彩的分析比較容易出錯，如果突然換為不同色彩的足球（或者當球處在不同光線下時），機器人就“看”不見足球了。相比而言，人類則不會犯這樣的錯誤，因為人類總是會根據(jù)情境判斷足球及其位置，并不完全通過色彩來判斷。正是因為這樣，人類才能做到通過走路的動作，甚至背影來識別鏡頭中的著名足球運動員是誰。
人工智能機器人NAO通過無線電與隊友“交流”，使每個機器人都可以獲得精確的最新畫面，從而獲得最適宜當前情境的動作指令。通過這種方式，機器人就能協(xié)作起來，一個機器人踢球時，其他機器人根據(jù)球踢出的方向進行反應。但是對于應該繼續(xù)運球還是將球傳給隊友的問題，人類大腦會快速分析出當前環(huán)境下的最佳選擇，機器人則必須根據(jù)設定好的戰(zhàn)術指令執(zhí)行動作。例如，當NAO機器人在運動中被對手阻擋時，它會愣住大約一秒鐘的時間，理解此時的情景。接下來，它會護住球，然后將球傳出去。這個動作最多需要耗時20s的時間，這在人類運動員看來是不可思議的。然而，人工智能機器人目前還無法做到快速反應。這是因為執(zhí)行一個戰(zhàn)術之前，機器人必須首先掃描其數(shù)據(jù)庫獲取相應的動作。另外，正如Mellmann教授所言，計算機的性能對于機器人的反應速度也有影響，NAO機器人配備的攝像頭每秒只能拍攝30幀的畫面，CPU的頻率只有500MHz。
NAO機器人需要依賴開發(fā)者為其編寫的機器人世界模型做出動作，而戰(zhàn)術的運用更是需要依據(jù)實時情境來判斷，所以對于世界模型的程序編寫要求非常高。在機器人可以執(zhí)行的動作中，有些是被永久編程的，比如NAO機器人在踢球的時候應該站在球的后面。但是，在另外一些情況下，如遭遇對手攔截時，不要繼續(xù)帶球向前，而應該將球傳給處在空位上的隊友，則需要機器人動態(tài)做出反應。在簡單的環(huán)境中，執(zhí)行設定好的戰(zhàn)術算不上困難，但是足球比賽是眾所周知的高速運動，運動員需要在場上快速移動，足球也經(jīng)常從球場的一端快速轉移到另一端。所以當機器人運動員剛要做出踢球動作的時候，“踢球”的指令可能已經(jīng)過時了。然而，NAO機器人反應慢并非總是弱勢，既然機器人的意識是有限的，它就必須更多地依賴慣性。否則，機器人就會只顧著不斷執(zhí)行新的動作指令（一旦球消失在視野中，就會迅速開始搜索球的位置）而不是去追逐真正的目標——將球踢進對方球門。
動作反應：依照戰(zhàn)術移動而不摔倒
反應速度不是NAO機器人面臨的唯一問題，另一個重要的問題是它不像人類一樣擁有天生的平衡感。對于人類而言，在快速奔跑時保持平衡，而不摔倒并不是什么大問題。但是對于人形機器人而言，即使是慢速的步行也是個不小的挑戰(zhàn)。因此，NAO機器人只能邁小步子來避免摔倒，它每秒鐘最多可以前進
為了保持平衡，機器人必須在一系列傳感器的幫助下，計算身體重心的位置，然后通過測量關節(jié)的角度和運動的速度來改變身體的動作以維持平衡。其中，零力矩點法（Zero Moment Point，ZMP）是仿真機器人在運動時保持動態(tài)平衡最重要的控制方法。然而，遇到諸如爭搶足球時突然受到阻擋這樣的不可預見的事件時，NAO機器人仍然會失去平衡，翻個底朝天。
結論
機器人足球世界杯的組織者為該活動設定的目標是“到2050年，建立一支全自主的類人型機器人足球隊，戰(zhàn)勝人類的足球世界杯冠軍隊”。德國人工智能研究中心的Thomas Rofer教授認為不排除實現(xiàn)該目標的可能性，“雖然目前機器人還不能像人類一樣自如地運動，但是過去15年間機器人技術已經(jīng)取得了重大的技術突破?，F(xiàn)在距離2050年還有39年的時間，沒有什么不可能！”他甚至開玩笑說，“我無法想象到時候有人會把賭注押到人類身上”。
現(xiàn)在，機器人還在“進化”的最初階段，但是它們已經(jīng)有兩項人類不可比擬的優(yōu)勢：“肌肉”永遠不會酸痛、易磨損的“身體器官”可以輕松地更換。
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