運動機器人

我們相信，未來的機器人足球隊將會輕松擊敗人類世界冠軍，盡管直到現(xiàn)在機器人還在為如何才能走路不摔跤而掙扎。

今年7月，兩個足球?qū)玫氖澜绻谲娰愅脚e行——在德國舉行的女子足球世界杯和在土耳其首都伊斯坦布爾舉行的2011機器人足球世界杯。兩個杯賽不同的地方是，每個國家隊的女足運動員們都朝著世界冠軍的榮譽前進，而足球機器人的開發(fā)者們則沒有這么大的野心，如果他們的“運動員們”能夠在運動中不輕易摔倒，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(dāng)然不是為了觀賞。足球這項運動是相當(dāng)復(fù)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(xué)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(shè)定好的戰(zhàn)術(shù)安排。目前，在機器人研發(fā)領(lǐng)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(shù)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)注的永遠是機器人“球員”幕后聰明的計算機科學(xué)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(dāng)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(dāng)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(yīng)。但是對于應(yīng)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(dāng)前環(huán)境下的最佳選擇，機器人則必須根據(jù)設(shè)定好的戰(zhàn)術(shù)指令執(zhí)行動作。例如，當(dāng)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(yīng)。這是因為執(zhí)行一個戰(zhàn)術(shù)之前，機器人必須首先掃描其數(shù)據(jù)庫獲取相應(yīng)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)。在簡單的環(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(zhuǎn)移到另一端。所以當(dāng)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(yīng)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(biāo)——將球踢進對方球門。

動作反應(yīng)：依照戰(zhàn)術(shù)移動而不摔倒

反應(yīng)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28cm。另外，NAO機器人在跑步時無法做出踢球的動作，所以在運動中射門也是個難題。NAO機器人的研發(fā)者已經(jīng)表示“這是我們面臨的下一個重大的挑戰(zhàn)，在伊斯坦布爾的機器人世界杯上我們將會進行新的嘗試”。

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(guān)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(yù)見的事件時，NAO機器人仍然會失去平衡，翻個底朝天。

結(jié)論

機器人足球世界杯的組織者為該活動設(shè)定的目標(biāo)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(biāo)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(shù)已經(jīng)取得了重大的技術(shù)突破。現(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。