Science Robotics最新封面:四足机器人狂飙6m/s飞跃楼梯,KAIST用2D数据教会机器人"跑酷"
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2026-07-18 11:50:44
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四足动物在森林里奔跑跳跃时,会根据地形自动切换步态——遇到平路就小跑,碰到障碍就起跳,下坡时又换成另一种姿态着陆。这种"无缝切换"的能力,一直是四足机器人领域的研发追求。

现在,来自韩国科学技术院(KAIST)和高丽大学的研究团队,让他们的KAIST HOUND机器人做到了。在跳下三级楼梯的瞬间,这台机器人达到了6m/s的峰值速度,对应的弗劳德数高达7.69。在跨越60厘米高台阶时,瞬时速度也达到了4.25m/s。更关键的是,这一切都依赖机载传感器和计算完成——没有动作捕捉系统,没有外部计算支持,完全自主感知、自主决策。

这项成果以"Agile perceptive multiskill locomotion for quadrupedal robots in the wild"为题,登上了国际权威期刊Science Robotics最新一期的封面。

01.

核心思路:用2D简化数据,撬动3D复杂运动

这篇论文提出的框架叫APT-RL(Action Pretrained Transformer–based Reinforcement Learning),核心思路可以概括为一句话:先用简化的2D动力学模型大规模生成运动数据,再通过表征学习和强化学习逐步将这些"平面经验"迁移到真实3D世界。

传统方法面临一个困境:要么依赖动物运动捕捉数据(昂贵且难以大规模获取),要么直接从头训练强化学习策略(样本效率低,奖励函数难调)。APT-RL的解决方案是,把机器人建模为2D平面内的单刚体,在这个简化模型上进行轨迹优化(Trajectory Optimization, TO)。

这么做的好处非常明显。研究团队仅用约8分钟,就生成了18万条轨迹、总时长15.5小时的运动数据,涵盖了−2到7m/s的速度范围,包括trot(对角小跑)和bound(跳跃奔跑)两种步态。由于使用解析Bézier曲线表示GRF(地面反作用力)和轨迹,雅可比矩阵和海森矩阵都可以解析计算,每条轨迹的平均优化时间只有21.582微秒。

这些数据虽然来自2D平面,但保留了质心动力学、角动量和接触时序等关键运动特征。研究团队随后用Transformer-based VAE(TVAE)对这些数据进行表征学习,将trot和bound两种步态编码到统一的潜在空间中,同时训练出与步态对应的力矩解码器。整个过程不需要任何强化学习——纯粹通过重建学习和监督学习完成。

02.

从平地到野外:辅助动作让策略"超纲发挥"

有了预训练的力矩解码器之后,接下来的关键问题是:2D平面数据怎么应对真实3D环境中的复杂地形?

APT-RL的答案是在强化学习阶段引入辅助动作(auxiliary action)。策略网络同时输出三个部分:潜在动作(用于驱动预训练解码器生成力矩)、辅助动作(通过PD控制器生成补偿力矩)、以及步态选择信号。最终施加在关节上的力矩,是解码器输出和辅助动作的组合。

这种设计的精妙之处在于,解码器提供了稳定的运动"骨架",辅助动作则负责适应训练数据中未曾见过的情况。论文通过三个场景验证了这一点:在跳跃木头时,辅助力矩在起跳瞬间显著增大,产生了预训练数据中不存在的跳跃动作;在腿部断裂的极端情况下,策略自动降低解码器力矩、增大辅助力矩来维持平衡;在原地旋转时,由于2D数据中完全没有髋关节外展/内收方向的力矩信息,该方向完全由辅助动作驱动。

在步态选择方面,策略以2Hz的频率决定使用trot还是bound。研究团队发现,策略的步态偏好与速度、地形类型和难度三个因素联合相关:在高台阶、栏杆和间隙地形中,即使速度较低也倾向于选择bound;而在离散和粗糙地形上,trot占比更高,只有速度增大后才逐渐切换到bound。与固定单一步态的策略相比,自动切换策略在最佳性能率(44.44% vs 23.81%/31.75%)、平均相对性能遗憾(4.99% vs 24.63%/13.28%)和最差情况归一化分数(0.711 vs 0.028/0.137)三项指标上全面领先。

03.

感知融合与真实世界验证

高速运动对感知系统提出了极高要求。以4m/s以上的速度奔跑时,步态规划频率为2Hz,这意味着机器人至少需要4米以上的前方感知距离才能做出及时决策。然而常用的D435深度相机有效范围仅约0.3到3米。

为此,研究团队将深度相机与2D LIDAR结合:深度相机提供密集的近距离局部几何信息,LIDAR则以40Hz的更新率提供远距离稀疏观测。两种模态的数据经过CNN和GRU编码器处理后,生成统一的感知嵌入。消融实验表明,单独使用任一传感器的成功率都低于双模态融合方案。

在真实世界部署中,研究团队还遇到了一个工程难题:高速运动产生的冲击加速度经常超过10g,导致LIDAR传感器测量不稳定甚至关机。他们通过在机器人头部和LIDAR之间加装3D打印的机械减振器解决了这一问题。

最终,整个系统实现了零样本sim-to-real迁移。KAIST HOUND在以下场景中完成了验证:1.1公里的校园城市环境穿越(包含多层楼梯、草地和斜坡),0.34公里的森林野外穿越(包含倒树、裸露树根、不平整圆木和落叶覆盖的湿滑地面),以及室内障碍课程(包含楼梯攀爬和90厘米高台跳下)。

04.

与现有方法的对比中,APT-RL展现出明显优势。相比AMP(对抗运动先验),APT-RL在所有测试地形上都实现了更低的运输成本(COT)。相比分层强化学习(HRL)加残差策略的方案,APT-RL在适应未见地形时达到了更高的速度追踪奖励和地形难度级别,且总样本消耗更少。在动态步态切换的鲁棒性测试中(2Hz随机切换、50%概率),APT-RL在各种速度和地形难度组合下的切换成功率都显著高于HRL基线。

当然,研究团队也坦承了当前的局限。目前的框架主要针对矢状面内的前后运动,对快速转弯和横向行走的支持有限。步态类型也只有trot和bound两种,未来扩展到pace、gallop或crawl将进一步提升适应性。此外,论文还展示了APT-RL在ANYmal、Go1以及KAIST HOUND双足模式上的初步结果,说明这一框架具备跨平台迁移的潜力。

从8分钟生成的2D简化数据出发,到在野外以6m/s的速度自如奔跑——APT-RL证明了一个重要观点:好的运动先验不需要多复杂,关键在于如何高效利用。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adz7397

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