人形机器人行走:从模仿到自主学习

人形机器人的双足行走一直是机器人领域的一个重要研究课题。传统方法主要依赖于精确的动力学建模和轨迹规划,但在复杂多变的实际环境中往往难以适应。近年来,随着深度强化学习(Deep Reinforcement Learning, DRL)技术的发展,为解决这一问题提供了新的思路。

深度强化学习助力机器人行走

深度强化学习通过"试错"的方式让机器人自主探索最优的行走策略。研究人员利用仿真环境对机器人进行大量训练,使其逐步掌握平衡、迈步等基本技能。这种方法的优势在于:

1. 不依赖于精确的机器人模型,具有更好的泛化能力
2. 可以适应不同的地形和环境,展现出较强的鲁棒性
3. 能够自主学习复杂的运动技能,而无需人工设计详细的控制算法

基于计划足迹的双足行走学习

在 GitHub 上的 LearningHumanoidWalking 项目中,研究人员提出了一种基于计划足迹的人形机器人行走学习方法。该方法的核心思想是:

1. 首先生成一系列期望的足迹位置
2. 使用深度强化学习算法训练机器人,使其能够精确地踩在这些计划好的足迹上
3. 通过奖励函数引导机器人学习稳定、高效的行走姿态

这种方法既保证了行走路径的可控性,又赋予了机器人自主学习行走技能的能力。

训练环境与算法

研究团队使用 PyBullet 物理引擎构建了仿真环境,并选用了"Humanoid"这一具有挑战性的环境进行实验。在算法选择上,他们采用了目前表现最好的连续动作空间强化学习算法之一 - 软演员评论家(Soft Actor-Critic, SAC)算法。

SAC 算法的优势在于:

1. 离线策略更新,提高了样本利用效率
2. 引入最大熵正则化,鼓励探索并提高策略的鲁棒性
3. 使用双 Q 网络技巧,缓解 Q 值高估问题

网络结构与训练过程

整个学习系统包含 5 个神经网络:

• 演员网络:用于生成动作策略
• 两个评论家 Q 值网络:评估状态-动作对的价值
• 评论家值网络:评估状态的价值
• 目标评论家值网络:用于稳定训练过程

训练过程中,系统不断优化这些网络,使机器人逐步掌握平衡、迈步等基本技能,并最终实现稳定的行走。

实验结果与分析

经过大约 1000 次交互后,机器人开始展现出初步的行走能力。随着训练的进行,其动作越来越流畅自然。最终训练得到的策略展现出了良好的鲁棒性,能够适应不同的地形和干扰。

虽然目前的行走姿态还不够完美,但已经展现出了深度强化学习在解决复杂运动控制问题上的巨大潜力。随着算法的进一步优化和训练时间的延长,相信机器人的行走能力还会有更大的提升。

未来展望

基于深度强化学习的人形机器人行走控制方法为该领域带来了新的机遇。未来的研究方向可能包括:

1. 将仿真中训练的策略迁移到实际机器人上
2. 结合专家演示数据,加速学习过程
3. 探索多模态感知与控制的结合,提高环境适应性
4. 研究更复杂的运动技能学习,如跑步、跳跃等

随着人工智能技术的不断进步,我们有理由相信,未来的人形机器人将具备更加灵活、智能的运动能力,为人类社会带来更多帮助。