清華機器人實驗室：這么酷，又有用，還出人

金逸堃 樸添勤

2015年清華大學成立104周年校慶期間活動不斷，校慶當天100個實驗室向校友及社會開放，其中機器人實驗室吸引了眾多人的眼球，參觀者不禁贊嘆有這么酷的機器人團隊……為了了解更多，隨后我們采訪了清華大學機器人實驗室的導師趙明國。

Robocup冠軍10年前就拿了

年輕的趙明國發動自動化系的同學組建了機器人足球隊，即清華大學“火神隊”。2004年，火神隊帶著實驗室買的Sony公司的機器狗參加了國內的Robocup（機器人大賽）。

當時許多隊伍都用的是德國隊的代碼，而火神隊由于設計體系和思路與澳大利亞隊相似，采用了澳大利亞隊的代碼。（比賽編程軟件是開放的，所有參賽隊伍用到的程序都是根據種種國外賽事的資料，通過學習優秀隊伍的代碼，在其原有基礎上再進行改編和創造）“那個代碼很繁瑣，并不是很好算。我們現場將代碼拍了圖片，就由同學們拿到宿舍去計算。”趙明國回憶起來還帶著笑意，“別的學校在現場熱火朝天地進行計算，我們在現場拍幾張照片就走了，其他隊都驚呼清華好厲害，其實我們是不好意思當著別人的面處理這么多代碼，因為跑程序要跑接近兩個小時。”而比賽結果卻讓趙明國大吃一驚，他們得了冠軍。

如今，這批機器狗珍藏在清華機器人實驗室里，雖然在市場上已經尋覓不到它們的身影，但趙明國覺得它們永遠都不會過時。“它們是非常好、非常可愛的產品，現在都很少有機器人能比得了。”這種編程后即可快速投入比賽的優質產品，是他一開始帶領團隊比賽時最好的伙伴。

跑得更快

2007年，火神隊參加了國際Robocup比賽，第一次國際比賽，他們的雙足機器人就在12米競速走挑戰賽中得了第一名，成為當時跑得最快的機器人。“回來后許多人來參觀，把我們的機器都跑壞了。”趙明國笑著說。在雙足機器人直走速度上做出突出貢獻的小伙子張楫，令趙明國印象深刻，他是全系公認做步態研究做得最好的學生，一米九十多的大高個，所有人都以為他是體育特招生，其實他是物理、數學競賽保送生，科研能力很強。當時他的輔導員是自動化系的研究生，也是機器人實驗室隊長，引薦他加入。

大二時張楫就開始跟自己的輔導員一起準備Robocup，他動手很快，又很有想法，短短一個多月就在機器人步態研究方面有進展，并在國內期刊上發表了文章——論文審查往往需要幾周到幾月的時間，他卻三四天就被通知錄用了。而此時，引薦他來實驗室已經讀研二的隊長雖然做了很多重要的代碼工作，但還未發表一篇文章，得知張楫發表論文的消息，隊長高興之余也暗自更加努力做出自己的科研成果。

2007年后，實驗室進行了戰略調整，成立人形組，開始關注機器人硬件，做了大大小小幾個優秀的人型機器人。在不斷地演練與測算中，同學們將機器人觀察、捕捉、運動的精準度不斷提高。每個同學也都在不停地完成新的任務，豐富了自己多方面的技能。2012年，實驗室的何建軍同學實現了一種機器人快速踢球動作的編輯算法，即通過幾個參數的修改，機器人就能夠自動生成新的踢球動作。這種方法解決了踢球動作規劃的快速性，但效果的好壞還需要人的監督。目前，侯一凡同學受這一方法的啟發，正在開發一種可以直接模仿人動作的方法，已經取得了初步的成果，并發表了一篇國際會議論文。

看得更準

踢球最基本的是知道球在什么位置，關于球的識別，實驗室一度找不到特別好的算法，往往當球被遮擋的時候就識別不出來。“2013屆徐持衡的算法解決了這個問題，是當時我見過最好的方法。”趙明國到現在仍忍不住贊嘆。

徐持衡是計算機系的，參加過奧林匹克信息競賽，他在原有的體系下做出了最有效的識別算法，即使球被隱藏在其他機器人身后、僅僅露出一個月牙兒，也能準確地識別出來。這個方法一直運用到2014年。“現在他放棄了香港大學博士、MIT讀博士offer，發揮其科研能力，跟當時在機器人實驗室的幾個小伙伴，到清華科技園創業做計算機視覺，計算機視覺應用很廣，比如工業監控，最近很火的顏齡測試網站How old.net 也是利用計算機視覺。公司現在有四五十人，做得非常好。”趙老師說，“大概有十幾個人的時候，我去了一次，發現好多人是我們實驗室走出來的，都被他們招去了。

趙老師說，機器人實驗室給大家絕對的空間，有些人做不下去離開，也有些人做得好，在組建自己的小團隊，研究過程中也會遇到很多頭疼的、做得不太順利的、甚至失敗的，實驗室也給他們時間成長。

攻堅聯盟

機器人研究，不僅僅是比賽，最終還是要和教育結合起來。2009年開始，參與國際賽事、研發相關機器人的研究模式正式改成自動化系一門正式課程。“2007年以后的機器人大賽中，我們至少拿到前三名，后來我們開始不強調成績，不要求研究生參與，而是在三年級本科生里選優秀的學生來培養，通過比賽的過程去檢驗學習成果和測試綜合能力”。

機器人實驗室一般每年十幾個人，第一年參加比賽后，下一年又有七八個新隊員進來，愿意留下來的老隊員再作為助教帶新隊員，或者帶著自己的小團隊繼續攻關。這樣滾動循環，總有新鮮血液也總有老隊員傳承。機器人是特別龐大的一個體系。隊員進來對整體初步了解之后，會選擇某一感興趣的部分。小組內部的題目不停變換，學生根據自己專長，不停接受挑戰。

國際比賽每年的規則也都會變，隊員必須根據新的規則作出調整。“比如，原來是橙色的球，我們識別得非常好，但今年換成白色球，就更容易跟一些logo或者坐席中的白襯衫等各種東西混淆，怎么樣把它識別出來是我們的新課題。”趙老師說，“老隊員根據經驗拍幾百張照片，編了一個類似英語考級的歷史情況測試題庫，來評測完成質量。”

隊員們還會因任務不同進行配合。開始的時候可能是搞步態的一組、搞視覺的一組、搞決策的一組……根據比賽需要依具體的任務再進行組合協同，比如任務是把球抓起來拋出去或者是把球踢得很高，就要考慮這個由誰來做該怎么做，如果是視覺和運動的配合，就要找懂視覺和懂運動的隊員來協同。趙老師說：“很有意思的是，隊員之間還有各種奇怪的內部昵稱，我不太懂，但他們覺得昵稱能把任務與人迅速匹配。”

這個過程不斷地鍛煉大家協調協作的能力。每周四上課時，老師講解與輔導；而周六是實驗室開放日，隊員們自己拿著鑰匙、協調時間，在實驗室進行自主研發。2014年在巴西比賽期間趙老師在美國，包括組織比賽、參加比賽幾乎所有事情全部他們自己搞定。

走向實用

趙老師說，也許明年就不會參加Robocup比賽了。因為實驗室正在從比賽型向國際競賽驅動的研究型轉變。實驗室正在研究足式機器人的運動控制方法、基于被動行走的動力行走方法和機器人定位技術。“開始是為了比賽而學習這些技術，現在是研究這些技術并在比賽中進行測試。”趙明國闡釋道。國際上已經出現一些更新更專業的應用型比賽，今年一個國際會議上出現亞馬遜贊助的叫pick-up的比賽，亞馬遜有自動的倉儲物流，自動化基本都解決了，就是B2C的過程要把商品從架子上拿出來還需要人來做。Pick-up就把這個變成一個題目，在機器人的一個學術會議上搞一個比賽，他們很感興趣，希望做一些應用型的機器人。

責任編輯：樸添勤