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      仿生系列1--探討機(jī)器人如何踢足球
      仿生系列1--探討機(jī)器人如何踢足球
       

      大家都知道,踢足球是一項(xiàng)快速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)員必須能夠在快速移動(dòng)中控球,并準(zhǔn)確進(jìn)行轉(zhuǎn)球,射門等一系列動(dòng)作。這些動(dòng)作對(duì)于人類來(lái)說(shuō)并不困難,只要稍加訓(xùn)練,也能掌握基本的技能。然而,機(jī)器人踢足球并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情,如果足球機(jī)器人能夠在運(yùn)動(dòng)中不輕易摔倒,而且能夠準(zhǔn)確地踢到球,而不是踢到自己的隊(duì)友,就已經(jīng)是非常大的進(jìn)步了。

      既然這樣,為什么要讓機(jī)器人來(lái)踢足球呢?當(dāng)然不是為了觀賞。足球這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)復(fù)雜的,研發(fā)機(jī)器人足球運(yùn)動(dòng)員需要一次性解決幾乎所有的經(jīng)典人工智能問(wèn)題,這才是科學(xué)家們對(duì)此孜孜以求的意義所在。足球運(yùn)動(dòng)中,機(jī)器人需要在動(dòng)態(tài)的環(huán)境中找到自己的位置,正確地執(zhí)行程序設(shè)定好的戰(zhàn)術(shù)安排。目前,在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域,開發(fā)者面臨的最大挑戰(zhàn)就是運(yùn)動(dòng)的靈活性,因此足球比賽就成為了機(jī)器人研發(fā)者的最佳練兵場(chǎng)和交流會(huì)。

      定位:通過(guò)攝像頭和無(wú)線電了解世界

      每一名教練員都需要確保自己球隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)細(xì)節(jié)不被泄露出去。在機(jī)器人足球世界杯中,這一點(diǎn)顯得尤為重要,因?yàn)樗械年?duì)伍都在為爭(zhēng)奪技術(shù)進(jìn)步的桂冠而努力。機(jī)器人世界杯分為不同的比賽組,包括小型機(jī)器人、中型機(jī)器人、遙控機(jī)器人等。其中,在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)組中,參賽隊(duì)伍需要使用統(tǒng)一的機(jī)器人進(jìn)行比賽,大家比拼的是軟件開發(fā)水平。由法國(guó)Aldebaran Robotics公司研制的人工智能機(jī)器人NAO已經(jīng)連續(xù)幾年被選為標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)組的專用機(jī)器人,NAO機(jī)器人的運(yùn)作完全是程序自動(dòng)控制的,不能通過(guò)遙控控制。但是,這并不意味著標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)組的比賽會(huì)比較簡(jiǎn)單,恰恰相反,最困難的事情就是機(jī)器人之間的團(tuán)隊(duì)合作。只有整個(gè)系統(tǒng)都正確運(yùn)行的時(shí)候,球隊(duì)才有可能贏得比賽。所以,在機(jī)器人世界杯中,最受歡迎和關(guān)注的永遠(yuǎn)是機(jī)器人球員幕后聰明的計(jì)算機(jī)科學(xué)家。

      機(jī)器人通過(guò)彩色攝像機(jī)掃描周圍的環(huán)境,形成機(jī)器人世界模型(世界模型中保存球場(chǎng)上所有物體的絕對(duì)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(cuò),如果突然換為不同色彩的足球(或者當(dāng)球處在不同光線下時(shí)),機(jī)器人就不見足球了。相比而言,人類則不會(huì)犯這樣的錯(cuò)誤,因?yàn)槿祟惪偸菚?huì)根據(jù)情境判斷足球及其位置,并不完全通過(guò)色彩來(lái)判斷。正是因?yàn)檫@樣,人類才能做到通過(guò)走路的動(dòng)作,甚至背影來(lái)識(shí)別鏡頭中的著名足球運(yùn)動(dòng)員是誰(shuí)。

      人工智能機(jī)器人NAO通過(guò)無(wú)線電與隊(duì)友交流,使每個(gè)機(jī)器人都可以獲得精確的最新畫面,從而獲得最適宜當(dāng)前情境的動(dòng)作指令。通過(guò)這種方式,機(jī)器人就能協(xié)作起來(lái),一個(gè)機(jī)器人踢球時(shí),其他機(jī)器人根據(jù)球踢出的方向進(jìn)行反應(yīng)。但是對(duì)于應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)球還是將球傳給隊(duì)友的問(wèn)題,人類大腦會(huì)快速分析出當(dāng)前環(huán)境下的最佳選擇,機(jī)器人則必須根據(jù)設(shè)定好的戰(zhàn)術(shù)指令執(zhí)行動(dòng)作。例如,當(dāng)NAO機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中被對(duì)手阻擋時(shí),它會(huì)愣住大約一秒鐘的時(shí)間,理解此時(shí)的情景。接下來(lái),它會(huì)護(hù)住球,然后將球傳出去。這個(gè)動(dòng)作最多需要耗時(shí)20s的時(shí)間,這在人類運(yùn)動(dòng)員看來(lái)是不可思議的。然而,人工智能機(jī)器人目前還無(wú)法做到快速反應(yīng)。這是因?yàn)閳?zhí)行一個(gè)戰(zhàn)術(shù)之前,機(jī)器人必須首先掃描其數(shù)據(jù)庫(kù)獲取相應(yīng)的動(dòng)作。另外,正如Mellmann教授所言,計(jì)算機(jī)的性能對(duì)于機(jī)器人的反應(yīng)速度也有影響,NAO機(jī)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(jī)器人需要依賴開發(fā)者為其編寫的機(jī)器人世界模型做出動(dòng)作,而戰(zhàn)術(shù)的運(yùn)用更是需要依據(jù)實(shí)時(shí)情境來(lái)判斷,所以對(duì)于世界模型的程序編寫要求非常高。在機(jī)器人可以執(zhí)行的動(dòng)作中,有些是被永久編程的,比如NAO機(jī)器人在踢球的時(shí)候應(yīng)該站在球的后面。但是,在另外一些情況下,如遭遇對(duì)手?jǐn)r截時(shí),不要繼續(xù)帶球向前,而應(yīng)該將球傳給處在空位上的隊(duì)友,則需要機(jī)器人動(dòng)態(tài)做出反應(yīng)。在簡(jiǎn)單的環(huán)境中,執(zhí)行設(shè)定好的戰(zhàn)術(shù)算不上困難,但是足球比賽是眾所周知的高速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)員需要在場(chǎng)上快速移動(dòng),足球也經(jīng)常從球場(chǎng)的一端快速轉(zhuǎn)移到另一端。所以當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)員剛要做出踢球動(dòng)作的時(shí)候,踢球的指令可能已經(jīng)過(guò)時(shí)了。然而,NAO機(jī)器人反應(yīng)慢并非總是弱勢(shì),既然機(jī)器人的意識(shí)是有限的,它就必須更多地依賴慣性。否則,機(jī)器人就會(huì)只顧著不斷執(zhí)行新的動(dòng)作指令(一旦球消失在視野中,就會(huì)迅速開始搜索球的位置)而不是去追逐真正的目標(biāo)——將球踢進(jìn)對(duì)方球門。

      動(dòng)作反應(yīng):依照戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)而不摔倒

       

      反應(yīng)速度不是NAO機(jī)器人面臨的唯一問(wèn)題,另一個(gè)重要的問(wèn)題是它不像人類一樣擁有天生的平衡感。對(duì)于人類而言,在快速奔跑時(shí)保持平衡,而不摔倒并不是什么大問(wèn)題。但是對(duì)于人形機(jī)器人而言,即使是慢速的步行也是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。因此,NAO機(jī)器人只能邁小步子來(lái)避免摔倒,它每秒鐘最多可以前進(jìn)28cm。另外,NAO機(jī)器人在跑步時(shí)無(wú)法做出踢球的動(dòng)作,所以在運(yùn)動(dòng)中射門也是個(gè)難題。NAO機(jī)器人的研發(fā)者已經(jīng)表示這是我們面臨的下一個(gè)重大的挑戰(zhàn),在伊斯坦布爾的機(jī)器人世界杯上我們將會(huì)進(jìn)行新的嘗試。

      為了保持平衡,機(jī)器人必須在一系列傳感器的幫助下,計(jì)算身體重心的位置,然后通過(guò)測(cè)量關(guān)節(jié)的角度和運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)改變身體的動(dòng)作以維持平衡。其中,零力矩點(diǎn)法(Zero Moment Point,ZMP)是仿真機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持動(dòng)態(tài)平衡最重要的控制方法。然而,遇到諸如爭(zhēng)搶足球時(shí)突然受到阻擋這樣的不可預(yù)見的事件時(shí),NAO機(jī)器人仍然會(huì)失去平衡,翻個(gè)底朝天。

      結(jié)論

      機(jī)器人足球世界杯的組織者為該活動(dòng)設(shè)定的目標(biāo)是2050年,建立一支全自主的類人型機(jī)器人足球隊(duì),戰(zhàn)勝人類的足球世界杯冠軍隊(duì)。德國(guó)人工智能研究中心的Thomas Rofer教授認(rèn)為不排除實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的可能性,雖然目前機(jī)器人還不能像人類一樣自如地運(yùn)動(dòng),但是過(guò)去15年間機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了重大的技術(shù)突破?,F(xiàn)在距離2050年還有39年的時(shí)間,沒有什么不可能!他甚至開玩笑說(shuō),我無(wú)法想象到時(shí)候有人會(huì)把賭注押到人類身上。

      現(xiàn)在,機(jī)器人還在進(jìn)化的最初階段,但是它們已經(jīng)有兩項(xiàng)人類不可比擬的優(yōu)勢(shì):肌肉永遠(yuǎn)不會(huì)酸痛、易磨損的身體器官可以輕松地更換。

       

       

       

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