【W(wǎng)RC大咖論道】美國喬治亞理工大學(xué)教授Seth Hutchinson：《移動操作—安全，合作，適應(yīng)》

2024世界機器人大會以“共育新質(zhì)生產(chǎn)力 共享智能新未來”為主題，為期三天的主論壇和26場專題論壇上，416位國內(nèi)外頂尖科學(xué)家、國際組織代表、院士和企業(yè)家聚焦前沿技術(shù)、產(chǎn)業(yè)動向和創(chuàng)新成果，深入研討人工智能與機器人技術(shù)深度融合帶來的新趨勢、新機遇，共同打造了一場十分精彩的機器人領(lǐng)域前沿觀點盛宴！

在8月24日上午的主論壇上，美國喬治亞理工大學(xué)教授，IEEE機器人與自動化學(xué)會主席Seth Hutchinson以《移動操作—安全，合作，適應(yīng)》為主題發(fā)表演講。

數(shù)說2024世界機器人大會

論壇

26 家國際支持機構(gòu)

3 大主題 26 場專題論壇

416 名國內(nèi)外頂尖科學(xué)家、國際組織代表、院士和企業(yè)家

74 位國外嘉賓及港澳臺嘉賓參會

線上線下聽眾達 160萬 人次

展覽

27 款人形機器人集中亮相

首發(fā)新品 60 余款

近 170 家參展企業(yè) 600 余件參展產(chǎn)品

參觀人數(shù)近 25萬 人次

大賽

全球 10 余個國家和地區(qū)的 7000 余支賽隊

 13000 余名參賽選手

每天參賽人數(shù) 4000 余人

媒體關(guān)注

近 400 家國內(nèi)外媒體

短視頻平臺話題播放量達 2.9億

Seth Hutchinson（美國喬治亞理工大學(xué)教授，IEEE機器人與自動化學(xué)會主席）

以下是對話內(nèi)容實錄 

今天我要講的是移動操控以及它的任務(wù)，主要是關(guān)于安全、合作和適應(yīng)性。我現(xiàn)在所展示的，6分鐘以后就會過時的，這就是因為現(xiàn)在的發(fā)展非?？焖伲@是移動機器手，為什么我選這個議題？因為它非常有代表性。它們自動的運行，無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是環(huán)境與人類，在這里它們被控制的水平很高，以及各種各樣的應(yīng)用。

今天我感興趣的是在家庭的運用，所以我想聚焦家庭級辦公室，家庭遠程操控，也就是Hello機器人，這一方面發(fā)展背后的主要驅(qū)動是軟件和編程，主要是兩個方面。

第一，人們真正希望一些家務(wù)由機器人來做，所以設(shè)計者和人們一起合作，包括殘障人士，已經(jīng)合作了幾十年，現(xiàn)在可以看到人們需要機器人幫他們做什么，因為它是一種漸行性的變化。

第二，安全，機器人絕對不可以傷害到人類。機器人不能危害人類，包括設(shè)計的關(guān)節(jié)也是非常好的，所以不會因為轉(zhuǎn)動和運行會傷害到人，它的關(guān)節(jié)進行了安全的設(shè)計。

另外對于使用者和設(shè)計者來說，這也是非常有趣的，可以在你的房子里面移動做很多的家務(wù)，它可以幫助你做很多不需要移動重物的工作，它比較小，比較輕，可以將它放到各種地方，比如說放在車里，有一些學(xué)生就是這么做的，它非常的安全，你會失去大功率的輸出，我們既希望它能夠有比較高的功率負載能力，也希望它同時安全。

這是一種我們總體的局勢，移動機器手與人能夠合作，這有可能顯著提高老年人和其他有身體殘障或者精神殘障人士生活質(zhì)量需要，需要有比較大的承載能力。它必須安全，在人醒的時候，它不會對人類產(chǎn)生致命的危害，但是當(dāng)人睡著的時候，有可能它的誤操作會讓人發(fā)生致命的危險。我們需要做的研究重點就是安全、性能、抗干擾的能力要強，以及相關(guān)參數(shù)的動態(tài)評估，所以我們需要確保安全穩(wěn)定。

在這方面，移動機器手可以具有耦合動力學(xué)和高自由度，可以輸入應(yīng)用于電機末端執(zhí)行器進行執(zhí)行任務(wù)，因此安全約束在操作空間中能夠進行定義。

到目前為止，我們已經(jīng)非常了解這一切了，并且我們擁有初測的數(shù)據(jù)和計算工具，大家都在這方面做出了很多的研究，包括李雅普諾夫函數(shù)和控制屏障功能，這方面機器人專家都非常熟悉了，它有函數(shù)正定和安全級定義，確保安全級的不變性和確保質(zhì)數(shù)收斂的穩(wěn)定。

我們?nèi)绻羞@方面的功能，能量會慢慢的減少，最后系統(tǒng)停機，如果你將系統(tǒng)中的能量提高的足夠快，可以得到我們想要的結(jié)果，但是相反的來說，如果你讓它停止運動，在它一個想要的位置能夠停住，這種大功率快速的提升可能會讓它無法精準的定位，而越過了想要停止的區(qū)位，這樣可能對人體造成意外的傷害。

因此我們做出了合適的函數(shù)定義，讓它在執(zhí)行的過程中如果提高這方面的性能，反而會讓另一方函數(shù)定義的安全性能有所偏頗，因此這是很明顯的，如何去控制，同時保持安全，我們在這方面要做很多的取舍。

這是我們操控的空間動力學(xué)計算，我的手和電機之間的動作是否能夠協(xié)調(diào)一致，因此我們要做微分動力學(xué)的計算來定義廣義坐標，可比行列式和操作空間的坐標，同時要計算歐拉-拉格朗日方程包括去定義關(guān)節(jié)的扭矩，輸入慣性的矩陣、重力、科里奧利等，最后進行總匯，來做出合適的操作空間動力學(xué)的仿射形式。

控制指數(shù)視累函數(shù)的基本方法就是禁止其為橢球體，安全級位于橢球體的外部，對視累函數(shù)求微分，直到輸入出現(xiàn)相對度條件。替代操作空間動力學(xué)，導(dǎo)出保證穩(wěn)定性的輸入條件，要進行安全的設(shè)置，就要對微分直到輸出出現(xiàn)相對度數(shù)為2，這里的安全控制，它的安全設(shè)置不變性，修改條件相對度為2，最優(yōu)的安全控制可以表現(xiàn)為QP，它要受到用于執(zhí)行高相對值的指數(shù)控制視累函數(shù)。K是增益的矩陣，對FKG使用極點放置，這是數(shù)學(xué)的方式去表達的。

再闡述一下應(yīng)用，這是期望的輸出，這取決于任務(wù)的約束，除了避免碰撞以外，我們還要避免自碰撞，而且要保持末端執(zhí)行器的方向，例如運輸液體容器的時候，否則我們無法解決這些問題。進行實際部署的時候，我們要防止黑客的闖入以及其它可能出現(xiàn)的意外，要保持與移動物體的固定關(guān)系，需要虛擬的鏈接，在操作過程中保持力的分布，不同相對程度條件都要納入，對所有這些問題控制屏障函數(shù)，不一定是計算上最具吸引力的方案，但他們提供了一種通用的理論方法、性能的保障，針對特定問題的修改，可以提高效率。

Roll空間控制的逆動力學(xué)對于給定的所需任務(wù)加速度，我們可以使用微分機械臂運動學(xué)來獲得所需的關(guān)節(jié)加速度，并且使用逆動態(tài)控制，我們獲得所需的關(guān)節(jié)扭矩輸入，這產(chǎn)生了任務(wù)空間和錯誤動態(tài)，它包括內(nèi)部電機的設(shè)定、任務(wù)空間的界定，將任務(wù)與電機連接起來。

為什么我很關(guān)心這一點，為什么要做這么多工作，我們現(xiàn)在有另一種限制，我想要優(yōu)化我的控制器，引入了輔助穩(wěn)定輸入，誤差的動態(tài)可以寫為引入李雅普諾夫函數(shù)，指定穩(wěn)定的條件，因此有最早的參數(shù)，最大限度的減少與控制輸入的偏差，這必須遵守系統(tǒng)動力學(xué)安全的方程以及指數(shù)的穩(wěn)定性，這樣的話我們就可以輸入我們想要的，我們必須要認識到有一些約束。

在可及性方面，如果設(shè)定的過于不現(xiàn)實，也可能超過它的范疇，這是一個視頻，這個機器人是基于任務(wù)的操控，它是橢圓無約束，激活約束，慢速基準外部安全裝置的高速基準或者是進行螺旋約束，所有這些都是優(yōu)化器最大化和優(yōu)化它的控制約束性。

另外一方面，大家也可以看到它有更加復(fù)雜的一些軌跡規(guī)劃，我們可能也不是很驚訝，但是大家也不是非常感興趣，它在哪個地方可以來應(yīng)用呢，這是我的一個博士生，機械臂現(xiàn)在正使用現(xiàn)成商業(yè)的計算機視覺工具來識別，我們也希望避免機器碰撞到他的手臂。

假設(shè)他的頭是不受保護的，我們的博士生要自己防止撞到頭，機械臂只會負責(zé)不會撞到他的胳膊，所以每一次機械臂都會使用更大的力，但是機械臂最重要的工作就是在這個空間循環(huán)往復(fù)，它會在關(guān)節(jié)的部位進行軌跡的優(yōu)化。

我們也可以借此來定義安全，有幾種方式，安全在這里代表的是這個機器臂拿的盤子上有一杯水，這個水不能灑，所以不論如何，它要保證托盤的平衡，否則的話水會灑出來。

我們看到博士生也正在跟機械臂協(xié)調(diào)，下面有一個輪子在移動，當(dāng)中會有一些解讀的工作，車輪上是沒有扭矩控制的，所以機械臂需要有一些對于周邊環(huán)境的解讀，這個動態(tài)是很有趣的，尤其是在外部，它是會有一些分層的定位。

接下來我給大家說一說有趣的其它的方式，我們用類似的這種移動操控把推車在周圍移動，這就是我們常見的一些推車，超市里面或者其它的地方可以使用。

我的博士生有一個雙胞胎兄弟，他們的工作就是需要推車，所以我們就可以使用類似于數(shù)字孿生的方式來完成，如果你現(xiàn)在有雙胞胎的推車，它可能左邊的嬰兒和右邊嬰兒會有不同的動作，所以要保證你的嬰兒車平穩(wěn)前行的時候，要讓你的嬰兒安穩(wěn)的待著，如果你的孩子在嬰兒車里面動來動去，你需要更大的扭矩來保證它的穩(wěn)定性。

我們在日常當(dāng)中會有各種各樣的區(qū)別，在移動物體的時候會有具體的控制，它需要有一個動態(tài)的估量，而且是實時的。推車里的物體可能會發(fā)生變化，質(zhì)量會發(fā)生變化，所以我們需要有一個引導(dǎo)系統(tǒng)，讓它沿著所需的軌跡來行駛，并且最大程度的降低機器人施加的扭矩和壓力。

所以首先要從推拉開始，我們想要做的是什么呢？我們所謂的就是最低的干預(yù)，我們希望物體能夠自我移動，這是我們對推車的想法。如果這個推車是向著我們想要的方向前進，你就不需要給它施加任何的扭矩，但是如果推車偏向了，我們需要給它施加最低的扭矩，讓它回到正確的扭矩上面。

我們現(xiàn)在在這個機械手上施加了14公斤的載荷，我們的機械手抓取的時候，在推車的把手上，你要找到合適的位置，這樣才能夠更好的保持平衡，并且用最低的扭矩。

我們希望在過程當(dāng)中，機器臂的底座是可以做相應(yīng)的移動，并且不要讓推車走偏，所以我們需要非常強有力的控制器，并且要有一個系統(tǒng)來跟蹤推車的移動，并且計算它所需的軌跡，所以我們說這是一個最小交付的框架設(shè)計。

在這頁您可以看到它的一些公式，我們在這里說到了它的抓手和所需的扭矩，這邊說的是我們不需要一直把手放到推車上，每一次你把手放到推車上，其實都是有懲罰的，以此來達成最小的交互或者是影響，這個其實對于機器人來說也是類似于它執(zhí)行任務(wù)所遇到的一個指示。這是首先的一系列實驗，就是要對推車進行質(zhì)量上的估計，這是很常見的一些方式來做推車系統(tǒng)的建模，參數(shù)的估計等等，就是老生常談。

其次是彎曲的軌跡，如果我們在推車的時候，把你施力的人手或者機械手放在手柄的最中心，這樣才能夠讓推車遵循想要的指令。在推車里面可能是有十幾公斤的載荷，我們在推車的時候，有的時候我們需要施加更大的力，這個力可能會有一些危險，所以車輛會停下來，然后我們再繼續(xù)做。

剛才說到的這些事項的注意點，我演講最開始提到的最關(guān)鍵點就是安全和穩(wěn)定，我在演講當(dāng)中跟大家說到的所有內(nèi)容，說到了機器人的層級，低水平的電子電機化直到高水平的自主化，世界各地都有不同的應(yīng)用，但是我說到的所有內(nèi)容都是包含在這些機器人的品類當(dāng)中。

但是大家一定要注意，這樣的一些控制架構(gòu)是處于底層的，我們希望能夠確保機器人達成特定的系統(tǒng)性能和安全性，這是不論你的大語言模型要告訴你什么，你一定要有個基礎(chǔ)的安全保障。你需要保證它的安全性，你就需要你的大語言模型在驅(qū)動機器人的時候是有一個很好的安全網(wǎng)，你不希望跟你祖母一起在家里面的機器人，在不經(jīng)意的時候傷害到你的祖母，但是又希望機器人能夠執(zhí)行我們祖母的指令。

我的祖母已經(jīng)去世了，但是如果我想要機器人照顧她的話，我絕對不會把一個我不信任的機器人放在她的家里，會造成很大的混亂，甚至?xí)o她造成危險。

所以所有的這些數(shù)字、所有這些模型背后的基準點就是安全性，我們一定要強調(diào)這一點，我們不能夠完全信任人工智能的系統(tǒng)是好用的，就好像我們剛才說到的推車實驗當(dāng)中。從統(tǒng)計學(xué)上來說，它看起來是有用的，我們昨天其實也已經(jīng)提到了，Marco的機器人一直都有很好的信任，我當(dāng)時就想要問他，有沒有一些很瘋狂的失敗的案例，他說我在演講的時候是不會說的，我們的系統(tǒng)也會很注意，不會出現(xiàn)失效的情況，我們有一個最基本的防止失效的功能，所以我們在這里說到可以驗證的保證，而且這是很重要的，所有這些可驗證的保證都是基于我們之前的數(shù)字模型，我們相信它會有用。

在某種情況下，這些控制理論在某種意義上是要跟大語言模型有互動，我們需要長期的進行觀察，來推理，來寫下我們認為是真實的事情，然后基于此再進行學(xué)習(xí)，這就是我要跟大家分享的，非常感謝！

（本文根據(jù)錄音整理）