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关键词：四足机器人；模仿学习；运动性能评估

技术方案：智能体位姿追踪系统

01

研究背景

从公元前3500年人类发明了轮子开始，轮式工具极大地提高了交通和运输效率。但在不断的使用过程中，轮式运动方式的局限性逐渐暴露：即对山地、丘陵、台阶等复杂地形的适应性差。四足哺乳动物可以在崎岖复杂的地形自如行走，因为四足运动方式落足点是离散的，可以跨过障碍，而且没有横向约束，可以全方位移动，而且足端运动和躯干质心解耦可以起到隔振作用，保证质心稳定。

四足机器人以四足动物为仿生对象，在具有比双足机器人更具稳定性的同时，又比六足机器人机械结构简单。

从20世纪60年代开始，针对四足机器人的研究已经陆续开展，目前四足机器人已经广泛应用于工厂巡检、地震救灾、未知环境探索甚至地外行星探索，具有广阔的沿用前景。

ANYbotics四足机器人（图片来源：ANYbotics）

BigDog、ANYmal等大型四足机器人对于复杂环境适应能力强，具有较强的运载能力，但是对于管道或者废墟缝隙等狭窄空间，考虑到其体积，大型四足机器人很难进行探索和作业；而sub-2g等微型四足机器人，虽然体积小可以在狭窄空间穿越，但是由于绝 对负载能力低，无法满足探索和运输任务。开发一个具有一定移动能力和负载能力的小型机器人至关重要。

02 北理工SQuRo仿生机器鼠研制

老鼠因其细长身形和敏捷运动能力，可以在狭窄环境快速运动，吸引了研究人员的广泛关注。北京理工大学福田敏男教授团队骨干成员石青教授及其带领的仿生机器人团队设计研发了一款机器大鼠SQuRo。

机器鼠SQuRo

研究人员先利用X光获取并研究大鼠的运动骨骼关节结构。通过分析发现，大鼠能在狭窄环境灵活运动，主要依赖来于：三自由度颈椎运动、脊柱屈伸和侧屈、四肢运动。经过简化和参照设计，为机器鼠模型配置12自由度（颈部2自由度，腰部2自由度，四肢各2自由度）。机器鼠尺寸为188×55×90mm，重220g，与8周大的大鼠相当。

机器鼠自由度配置

团队提出一种多模态运动规划控制框架，根据环境不同切换运动策略，可以实现更快速稳定的响应。

为了验证机器鼠基础运动性能，石青教授团队进行了一系列实验，包括蹲起、行走、爬行、转向等，实验结果证明SQuRo机器鼠可以高效且灵活的进行运动，而且其转弯半径只有66mm（0.48个身体长度）。针对实际应用场景，研究人员还进行了通过不规则通道、爬坡、携带负载及跨越障碍等特殊场景实验，以上测试SQuRo均可顺利完成，其负载可以达到200g（自重的91%），并且能穿越30mm高的障碍物。

03 机器鼠稳定性优化

在研制仿生机器鼠的过程中，需要对机器鼠的俯仰角、弯曲角、弯曲距离等动作姿态数据进行分析，以量化指标评估机器鼠性能。

凌云光·元客视界方案工程师搭建了2mx2m的紧凑空间，采用9台光学动作捕捉相机，精确地对机器鼠的头部、背部、腿部、尾部等重要测试部位进行追踪。由于机器鼠关键部位尺寸都极其细小，而且自重很轻，为了在轻量化负重前提下精 准获取关键部位的位置信息，凌云光·元客视界提供了定制的3mm标记点，针对细小的结构精 准获取机器鼠的运动姿态信息。

04 机器鼠运动生成策略研究

此外，石青教授团队还进行了仿生机器鼠-真实大鼠交互的研究。将机器鼠放入真实大鼠社会，获取动物行为反馈，有助于了解大鼠的决策制定过程，比如运动方式、伴侣选择、捕食者-猎物相互作用等。在此过程中，机器鼠运动越接近真实大鼠运动，得到动物行为反应越好。但是不同时间大鼠同一行为的运动特征是不同的，因此合适的运动生成策略至关重要。

在之前的研究中，研究人员尝试过单次编程或人工操作等方式来控制大鼠运动，但效果都不理想。为了生成接近真实大鼠的自然运动，石青教授团队提出一种利用模仿学习(IL)的运动生成策略。模仿学习方法不需要传统编程语言控制机器人运动，只需要提供一组专家的行为演示数据。利用这些演示数据，机器人可以自动生成运动控制程序。

动物演示、策略优化及仿真系统架构

首先，将两只大鼠（分为demo rat和valid rat）放置于捕捉空间内，大鼠关节关键节点粘贴小型标记点，利用动作捕捉系统采集两鼠交互运动数据。大鼠间交互运动典型动作包括理毛(AG)、接近(AP)、跟随(FO)、远离(MA)、后颈攻击(NA)、钳制(PI)、社交性鼻子触碰(SNC)。首先用Optitrack采集200000帧大鼠交互数据作为训练集(training set)，对预测块进行训练。另外采集200000帧数据作为验证集(validation set)，用于在交互仿真系统中评估算法。

在仿真系统中，两只机器鼠分为demo robot和policy robot，demo robot直接根据验证集数据复制demo rat的运动行为，policy robot根据模仿学习生成的行为指令进行运动。实验关注指标包括行为相似度、有效交互时间以及专注时段。通过结果可以看出policy robot可以生成接近动物的行为，而且机器人间交互持续时间比大鼠间的增加了16%，专注时段也更长。

实验验证虽然是将真实交互数据输入仿真系统进行的，但是由于验证集和训练集数据不同，而且是利用同一套动作捕捉系统采集的大鼠数据，可以认为仿真系统中demo robot的行为与现实大鼠行为一致。后续研究人员也会进行大鼠-机器鼠真实场景下交互实验。

05 国产动作捕捉系统助力高校科研

元客视界是凌云光设立的全资子公司，主要面向元宇宙虚拟现实、Web3.0时代数字人、沉浸媒体、全息通信、计算光学成像等应用，已形成光场建模、运动捕捉、全景成像、XR拍摄在内的产品布局。

FZMotion光学运动捕捉系统是凌云光·元客视界自主开发的运动捕捉采集与分析系统，可以实时跟踪测量并记录三维空间内点的轨迹、刚体的运动姿态以及人体动作，空间定位精度可以达到亚毫米级。

FZMotion动捕系统在无人机室内定位、仿生机器人运动规划、机械臂示教学习、气浮台位姿验证、水下运动捕捉等领域得到广泛应用，目前已经与清华大学、中国科学技术大学、北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等高校开展合作。凌云光·元客视界致力于为高校提供完备的解决方案，助力科研发展。

我们生活中常见的植物和动物在自然进化过程中不仅完全适应自然而且会进化出很多特别的功能，帮助自身可以在自然界长久的生存下去。

其实这些独特的功能的对我们日常生活中也是有很大的帮助，所以目前有了仿生学及仿生材料，而且已经可以在我们日常生活中发现很多仿生新材料的应用。

荷叶效应

离子研磨加工隔膜截面的低倍图片

我们在公园中会发现一个很有意思的现象，那就是在荷叶的叶面不沾水。为什么它会不沾水呢？

这是因为荷叶表面有着许多的蜡状突起物质，这种突起物通常是纳米和微米级的超微结构，突起物大约200nm，这些突起物组成了平均大小约为10微米的乳突。因为带有突起，所以叶子的表面就会凹凸不平，即使有水落下来，也不会扩散到表面，可以排斥。

这称为“荷叶效应”。这种结构是荷叶可以拨水的秘密。由于其独特的结构，科学家们也根据这个技术应用在生产建筑涂料、服装面料、厨具面板等需要耐脏的产品。

像纳米或微米的结构，人的肉眼是无法观察到的，我们可以使用电子显微镜将荷叶扩大至1,500倍时，您可以看到许多突起，这个突起紧密地附着在叶子的表面上，它是由类似蜡的物质制成的。

“酸奶盖”

现今，有科学家就利用这个功能，对瓶装酸奶盖子做了应用。以前喝酸奶都要舔一下盖子，因为盖子上沾满了酸奶。当然也有一些酸奶是不粘奶的， 那么利用荷叶的不沾水的特点设计一个和荷叶类似的表面结构，当我们用手去触摸盖子的背面时，就可以感觉到有凸起的东西，感觉有点粗糙!。

利用日立台式扫描电镜，将酸奶的盖子的背面放大400到1,000倍观察，可以看到像面包这样的硬化的突起。这个原理就是利用在整个盖子背面制作无数的突起，即使酸奶附着了，它也会立即散开。

酸奶盖子是微米/纳米级别科技仿生材料，现实生活中，还有很多类似的仿生材料，比如平时用来盛米饭的勺子，勺子表面有非常多的突起，就像荷叶上的突起，而米饭粒就像大号的水滴，所以这个设计的目的也是希望米粒不会粘到勺子上。

仿生材料竟然有这么多奥秘！那你还能在生活中发现其他有意思的仿生材料吗？

       近日，ZG科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的纳米真空互联实验站(Nano-X)完成了俄歇电子能谱仪(PHI 710 Auger NanoProbe)安装调试，这是继PHI XPS之后，Nano-X从ULVAC-PHI公司采购的第二套大型科研仪器。PHI 710俄歇电子能谱仪作为重要的表面分析设备，将与Nano-X的超高真空互联管道对接，进一步完善了Nano-X现有的表面分析设备体系(XPS、TOF-SIMS、SEM、AFM、STM等)，将助力推动半导体、微电子器件和冶金等领域研究的发展。

AES功能介绍

       俄歇电子能谱仪(Auger Electron Spectroscopy，AES)是利用电子束电离激发原子内层电子，探测退激发过程出射的俄歇电子，获得样品表面组分和化学性质的一种表面分析方法。AES不仅具有表面灵敏的特性，而且具有纳米级的空间分辨能力，因此广泛应用于半导体器件、微电子器件和冶金等科学研究。

       PHI 710 Auger NanoProbe的主要功能包括SEM成像、元素成分半定量/化学态分析、一维/二维元素分布、深度剖析及EBSD分析。该设备采用热场发射电子枪，具有稳定细小的电子束斑，SEM成像分辨率≤3纳米，AES成像分辨率≤8纳米；采用CMA同轴分析器，能全方位收集产生的俄歇电子，因此具有不受样品形貌和倾角影响的优点；能量分辨率0.5%~0.1%连续可调，亦能实现高灵敏度和高传输率；采用Ar离子枪实现样品表面清洁、荷电中和以及成分深度剖析；配备电子散射衍射探测器（EBSD），可提供晶体结构和晶格取向的分析。

Nano-X介绍

       纳米真空互联实验站(Nano-X)是世界shou个按国家重大科技基础设施标准在建的集材料生长、器件加工、测试分析为一体的纳米领域大科学装置。纳米真空互联实验站通过超高真空管道将各功能设备相互连接，一方面解决了传统超净间模式中难以解决的尘埃、表面氧化和吸附等污染问题，另一方面为微观原子尺度新材料、器件的创新和基于原子级别有序可控的创新思维模式提供了可实现的平台。本实验站由具有若干综合功能的材料制备平台、器件工艺平台、测试分析平台组成。纳米真空互联实验站是材料科学、环境科学、物理学、化学、信息科学等众多学科研究中不可替代的先进手段和综合研究平台，也是微电子、新材料等先进产业技术研发的重要手段。

PHI公司介绍

       PHI公司(Physical Electronics)前身为美国PE(Perkin Elmer)公司专业表面分析仪器部门，于2003年被日本真空ULVAC收购，成立ULVAC-PHI。ULVAC-PHI作为Z专业的表面分析仪器制造商，拥有60余年的表面分析设备研发和生产历史，专注于研发生产表面分析仪器，其产品包括光电子能谱仪(XPS)，俄歇电子能谱仪(AES)，飞行时间二次离子质谱仪(ToF-SIMS)和动态二次离子质谱仪(D-SIMS)。PHI CHINA致力于为用户提供先进技术和优质服务，与大家携手推动表面分析技术的应用和发展。