從公元前3500年人類發(fā)明了輪子開始,，輪式工具極大地提高了交通和運(yùn)輸效率,。但在不斷的使用過程中，輪式運(yùn)動方式的局限性逐漸暴露：即對山地,、丘陵,、臺階等復(fù)雜地形的適應(yīng)性差。四足哺乳動物可以在崎嶇復(fù)雜的地形自如行走,，因?yàn)?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">四足運(yùn)動方式落足點(diǎn)是離散的,，可以跨過障礙，而且沒有橫向約束,，可以多方位移動,，而且足端運(yùn)動和軀干質(zhì)心解耦可以起到隔振作用，保證質(zhì)心穩(wěn)定,。

四足機(jī)器人以四足動物為仿生對象,，在具有比雙足機(jī)器人更具穩(wěn)定性的同時(shí)，又比六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,。

從20世紀(jì)60年代開始,，針對四足機(jī)器人的研究已經(jīng)陸續(xù)開展，目前四足機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工廠巡檢,、地震救災(zāi),、未知環(huán)境探索甚至地外行星探索，具有廣闊的沿用前景,。

BigDog,、ANYmal等大型四足機(jī)器人對于復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的運(yùn)載能力,，但是對于管道或者廢墟縫隙等狹窄空間,，考慮到其體積，大型四足機(jī)器人很難進(jìn)行探索和作業(yè),；而sub-2g等微型四足機(jī)器人,，雖然體積小可以在狹窄空間穿越,，但是由于絕對負(fù)載能力低，無法滿足探索和運(yùn)輸任務(wù),。開發(fā)一個(gè)具有一定移動能力和負(fù)載能力的小型機(jī)器人至關(guān)重要,。

老鼠因其細(xì)長身形和敏捷運(yùn)動能力,，可以在狹窄環(huán)境快速運(yùn)動,，吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。北京理工大學(xué)福田敏男教授團(tuán)隊(duì)骨干成員石青教授及其帶領(lǐng)的仿生機(jī)器人團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了一款機(jī)器大鼠SQuRo,。

/ 機(jī)器鼠SQuRo

研究人員先利用X光獲取并研究大鼠的運(yùn)動骨骼關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),。通過分析發(fā)現(xiàn),，大鼠能在狹窄環(huán)境靈活運(yùn)動,，主要依賴來于：三自由度頸椎運(yùn)動、脊柱屈伸和側(cè)屈,、四肢運(yùn)動,。經(jīng)過簡化和參照設(shè)計(jì)，為機(jī)器鼠模型配置12自由度（頸部2自由度,，腰部2自由度,，四肢各2自由度）。機(jī)器鼠尺寸為188×55×90mm,，重220g,，與8周大的大鼠相當(dāng)。

/機(jī)器鼠自由度配置

團(tuán)隊(duì)提出一種多模態(tài)運(yùn)動規(guī)劃控制框架,，根據(jù)環(huán)境不同切換運(yùn)動策略,，可以實(shí)現(xiàn)更快速穩(wěn)定的響應(yīng)。

為了驗(yàn)證機(jī)器鼠基礎(chǔ)運(yùn)動性能,，石青教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),，包括蹲起、行走,、爬行,、轉(zhuǎn)向等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明SQuRo機(jī)器鼠可以高效且靈活的進(jìn)行運(yùn)動,，而且其轉(zhuǎn)彎半徑只有66mm（0.48個(gè)身體長度）,。針對實(shí)際應(yīng)用場景，研究人員還進(jìn)行了通過不規(guī)則通道,、爬坡,、攜帶負(fù)載及跨越障礙等特殊場景實(shí)驗(yàn)，以上測試SQuRo均可順利完成,，其負(fù)載可以達(dá)到200g（自重的91%）,，并且能穿越30mm高的障礙物,。

在研制仿生機(jī)器鼠的過程中,，需要對機(jī)器鼠的俯仰角,、彎曲角、彎曲距離等動作姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，以量化指標(biāo)評估機(jī)器鼠性能,。

凌云光·元客視界方案工程師搭建了2mx2m的緊湊空間，采用9臺光學(xué)動作捕捉相機(jī),，精確地對機(jī)器鼠的頭部,、背部、腿部,、尾部等重要測試部位進(jìn)行追蹤,。由于機(jī)器鼠關(guān)鍵部位尺寸都極其細(xì)小，而且自重很輕,，為了在輕量化負(fù)重前提下精準(zhǔn)獲取關(guān)鍵部位的位置信息,，凌云光·元客視界提供了定制的3mm標(biāo)記點(diǎn)，針對細(xì)小的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)獲取機(jī)器鼠的運(yùn)動姿態(tài)信息,。

/動捕系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)場地

在之前的研究中,，研究人員嘗試過單次編程或人工操作等方式來控制大鼠運(yùn)動,，但效果都不理想。為了生成接近真實(shí)大鼠的自然運(yùn)動,，石青教授團(tuán)隊(duì)提出一種利用模仿學(xué)習(xí)(IL)的運(yùn)動生成策略,。模仿學(xué)習(xí)方法不需要傳統(tǒng)編程語言控制機(jī)器人運(yùn)動，只需要提供一組專家的行為演示數(shù)據(jù),。利用這些演示數(shù)據(jù),，機(jī)器人可以自動生成運(yùn)動控制程序,。

/動物演示、策略優(yōu)化及仿真系統(tǒng)架構(gòu)

首先,，將兩只大鼠（分為demo rat和valid rat）放置于捕捉空間內(nèi),，大鼠關(guān)節(jié)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)粘貼小型標(biāo)記點(diǎn)，利用動作捕捉系統(tǒng)采集兩鼠交互運(yùn)動數(shù)據(jù),。大鼠間交互運(yùn)動典型動作包括理毛(AG),、接近(AP)、跟隨(FO),、遠(yuǎn)離(MA),、后頸攻擊(NA)、鉗制(PI),、社交性鼻子觸碰(SNC),。首先用Optitrack采集200000幀大鼠交互數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集(training set)，對預(yù)測塊進(jìn)行訓(xùn)練,。另外采集200000幀數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集(validation set),，用于在交互仿真系統(tǒng)中評估算法。

在仿真系統(tǒng)中,，兩只機(jī)器鼠分為demo robot和policy robot，demo robot直接根據(jù)驗(yàn)證集數(shù)據(jù)復(fù)制demo rat的運(yùn)動行為,，policy robot根據(jù)模仿學(xué)習(xí)生成的行為指令進(jìn)行運(yùn)動,。實(shí)驗(yàn)關(guān)注指標(biāo)包括行為相似度、有效交互時(shí)間以及專注時(shí)段,。通過結(jié)果可以看出policy robot可以生成接近動物的行為,，而且機(jī)器人間交互持續(xù)時(shí)間比大鼠間的增加了16%，專注時(shí)段也更長,。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雖然是將真實(shí)交互數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)進(jìn)行的,，但是由于驗(yàn)證集和訓(xùn)練集數(shù)據(jù)不同，而且是利用同一套動作捕捉系統(tǒng)采集的大鼠數(shù)據(jù),，可以認(rèn)為仿真系統(tǒng)中demo robot的行為與現(xiàn)實(shí)大鼠行為一致,。后續(xù)研究人員也會進(jìn)行大鼠-機(jī)器鼠真實(shí)場景下交互實(shí)驗(yàn)。

元客視界是凌云光設(shè)立的全資子公司，主要面向元宇宙虛擬現(xiàn)實(shí),、Web3.0時(shí)代數(shù)字人,、沉浸媒體、全息通信,、計(jì)算光學(xué)成像等應(yīng)用,，已形成光場建模,、運(yùn)動捕捉、全景成像,、XR拍攝在內(nèi)的產(chǎn)品布局,。

FZMotion光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)是凌云光·元客視界自主開發(fā)的運(yùn)動捕捉采集與分析系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)跟蹤測量并記錄三維空間內(nèi)點(diǎn)的軌跡,、剛體的運(yùn)動姿態(tài)以及人體動作,，空間定位精度可以達(dá)到亞毫米級。

FZMotion動捕系統(tǒng)在無人機(jī)室內(nèi)定位,、仿生機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃,、機(jī)械臂示教學(xué)習(xí)、氣浮臺位姿驗(yàn)證,、水下運(yùn)動捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,，目前已經(jīng)與清華大學(xué),、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)、北京理工大學(xué),、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校開展合作。凌云光·元客視界致力于為高校提供完備的解決方案,，助力科研發(fā)展,。