我经历的2015 DARPA机器人挑战赛

2015年的6月5日，位于洛杉矶东部的小城Ponoma迎来了来自世界各地的机器人专家、爱好者、大批的亲子团和扛着长qiang短炮的媒体记者们，他们都是为了DARPA Robotics Challenge（简称DRC）决赛而来。 DARPA是美国国防部的简称，DRC是2012年10月DARPA启动的机器人挑战赛，起因主要是震惊全世界的日本Fukushima海啸。由于当时海啸冲毁了Fukushima核电站，污染了附近水域，救援人员难以实施援救，日本政府和民众就期待机器人能代替人完成在核辐射废墟环境中的搜寻和营救——众所周知，日本在机器人的研究上投入了多年的财力和人力，公众对此寄予很高期望，希望在这种关键时刻日本社会的投入能有所回报。 不过令人失望的是，当时日本没有一个机器人能完成这样的工作。 这件事尽管媒体上鲜有报道，但是机器人研究圈子的不少人都知道。事情发生没多久之后，我曾经和美国德克萨斯奥斯汀分校的Robin Murphy 教授一起吃早餐的时候谈论起这件事，墨菲教授是救灾机器人领域的专家，曾经因为主导了911事件后的机器人救援而名声大振。她透露后来日本机器人界求助于他们，所以她和一帮国际机器人专家带着机器人奔赴了日本帮忙解决问题。 再加上近些年世界其它国家和地区的自然灾难频繁发生，也最终促成了这次机器人挑战赛的启动。 DRC从启动到最终决赛，历时将近三年时间（流程见下图），花费资金估计不到五千万美金。有资格参加DRC决赛的总共25支队伍，美国以外的参赛队伍包括2支德国队、1支意大利队、3支韩国队、5支日本队和2支中国队。2支中国队中有一个是来自中国香港大学的队伍，另外一支就是之前传出的中科院的一支队伍。我在DRC之前的公开资料上也看到了有一支来自中国大陆的队伍，但是很遗憾，我在决赛现场的展板上就没有看到这支队伍的身影，很显然他们已经退出了比赛。最终DRC决赛的前三名会分别获得200万、100万和50万美金的奖金。

Ponoma方圆大大小小的酒店从4号就开始爆满，以至于我和同行的Makerlink（雷锋网的硅谷分公司）的Co-founder Julie只预定到了距离ponoma十分钟车程的一个Holiday Inn，而且只剩下了最后一间房，那间房的窗外横穿了至少三条高速公路，白天晚上川流不息，晚上睡觉就像是睡在正在高速行驶的车上一样。当然即使这样，也没有影响我们第二天早上醒来兴致勃勃地奔向DRC决赛的现场，一个超级巨大的活动场所Fairplex。即使像DRC这样规模的活动，也只占了不到一半的停车场。每隔一段就有工作人员在引导停车，像我们这样第一次到Fairplex来的观众也不会感到手足无措，可见主办方的组织是很井井有条的。

DRC决赛完全是对公众开放的，因此不需要门票，入口处只是有工作人员在检查随身携带的包包。并且还有大大的温馨提醒字样：里面没有WiFi可用，但是可以用热点。对我们这种没有Wifi就寝食难安的国际友人来讲，简直是一场灾难啊！刚一进门就是一个栽在地上的大屏幕，里面反复播放着DARPA的Director（一个白发的老太太）在介绍DARPA以及DRC比赛的目的。这才感觉到，DRC其实是一场历时三年策划的DARPA公众秀，意在告诉纳税人，你们的钱没有白砸！

机器人挑战赛的八大任务分解

后来偶然在度娘上搜索DARPA的网址，突然跳出了某知名网站对其的介绍，名为“美国一个由女博士领导的神秘组织”，再回过头看那个很严肃的DARPA自己的介绍视频，忍不住想爆笑……（请原谅我笑点太低） 再往里面是几个系列的展板，每个系列都有不少可圈可点之处，可谓是极好的科普展示物。第一个系列是从1958年成立到现在DARPA给美国做的技术贡献，基本按照六年左右为一个周期来描述。第二个系列是以典型产品为线索划分的，涵盖了DARPA技术衍生出的重要产品。随后我会专门就这两个主题分别进行详细介绍和点评，这里就不再赘述。环绕在展板周围的是来自高校、企业和各类组织的将近80个参展商。整个比赛期间几乎有一半的观众都是大部分在这些有趣的展位前逗留的，因为这里可以近距离看到甚至亲手操作各种各样精灵古怪的机器人，尤其是那些带着孩子们来的家庭更是在这里乐不思蜀。

主会场分为阶梯状的观众台和比赛场地两部分，共有黄、红、绿、蓝四个比赛场地，五个硕大的电子屏幕面向观众台矗立着，在各个场地比赛实况、展览区精彩活动以及直播间访谈之间不断切换着，看起来更像是个盛大的体育比赛现场。每个比赛场地都是完全相同的，是模拟灾难后的现场设置的，机器人需要在不同的场景下完成八个不同的指定任务，其中七个任务是提前公布的，还有一个任务被称之为“惊喜任务”，当然对更多的参赛队伍来讲更可能是“惊吓任务”。操控中心设置在距离坍塌的房屋约50米开外的空旷地方，每队的操作人员只能在这里止步，随后的每一个任务都必须由机器人在一个小时之内来完成，操作者只能远程操控。 这次机器人挑战赛分两天进行，每一天从8点开始到下午6点结束，24个队按照给定的顺序在模拟的灾难现场完成指定的任务。因此每一队都有两次尝试的机会，取成绩最高的那一次计入名次。

第一个任务是机器人需要从操控中心移动到坍塌房屋门口，中间设置了两个路障。由于路程有50米左右，所以主办方提供了一个两座的敞篷越野车供机器人驾驶。也就是说机器人首先需要驾车绕过两个路障，安全到达废墟门口。

第二个任务是机器人需要不借助任何现场人为帮助从车上下来，移动到坍塌房屋门前；第三个任务是抓住并旋转把手，打开房门。

从第四个任务开始，机器人便孤身一“人”闯入了废墟。值得一提的是，从现在开始机器人和操控中心的通讯开始变差，大概每隔30秒机器人才能收到操控中心的命令，这是在模拟很多灾难现场通讯状态非常不稳定的场景。因此要求机器人必须具备一定的自主能力，不能再像前几个任务那样可以按照操作者命令行事了，这个环节的设定也给了各队很大的挑战。 好了，我们继续看后续还有哪几个任务需要完成。第四个任务是将红色的圆形阀门旋转360度，看起来像是模拟水闸的开启和关闭。

紧接着第五个任务是拿起位于墙上搁板上的电钻，并在旁边的木头墙上钻出一个大洞来，墙上画有一个黑色的圆圈，赛制要求钻出的洞口必须要大于那个黑色的圆圈。这一步应该是模拟灾难现场开洞救人的场景。 第六个任务是所谓的“惊喜（吓）任务”，每天都设置成不一样的，用来考验机器人对未知任务的适应性。比赛前一天排练的时候设置的是让机器人去按下一个按钮（基本算惊喜），正式比赛第一天是让机器人拉下一个手柄（绝对惊喜，大部分队都能顺利完成）。比赛第二天的难度最大，需要机器人将一个插头拔出来，然后再插入到另外一个位于墙上的电源插口去，可谓完全是惊吓级别的任务。事实证明，很多第一天表现不错的参赛机器人，第二天都在这一个任务上栽了跟头。 完成了这几项之后，机器人需要通过一堆坍塌物散落的高低不平的地面，这是第七个任务。地面上的坍塌物分为两种，一边是一些轻质的，每个不超过5磅的类似木条、铁管的杂物，另外一边是模拟坍塌下来的大块墙体造成的大、小斜坡，中间没有空白通道能让机器人顺利通过，只能选择一边来通过。 根据机器人技术能力的不同，在这一步轮式行走的机器人由于可以较为容易地将杂物推开，所以最好选择轻质杂物一侧通过；而双腿走路的机器人由于坍塌墙体落脚地方相对较大和平整，所以最好选择另一侧通过。赛场证明，参赛机器人也都是按照这样的规律来设计的。这个任务完成后，机器人便可以走出坍塌房屋，走向位于另一侧的模拟通向出口的一个楼梯，顺利登上楼梯就意味着第八个任务完成了，同时也就结束了整个比赛。 上述八个任务每个任务可得1分，在一个小时之内都完成了，就可以得到满分8分。成绩排名是按照先分数，后时间的原则来的。也就是说如果分数相同的，就会看谁用的时间最少。但是如果在比赛过程中，机器人突然摔倒或哪里卡壳了，需要参赛队技术人员来修复一下，那么就会在成绩上被自动加上10分钟。卡壳越多，完成所有规定任务的时间就越长。因此为了更好的成绩，应该尽量减少这样的事故发生。 尽管主办方并没有明确表示参赛顺序设置的原则，但是根据第一天比赛的实际表现来看，显然经过前一天的排练，主办方已经按照各个队伍的由弱到强的顺序依次从上午开始上场。估计也是考虑到比赛的可观看性，毕竟如果能同时看到实力相当的队伍在四个不同赛场PK的场面，观赏性和现场气氛会完全不同。体育比赛爱好者们，这个你们懂的！ 第一天的比分出来之后，第二天的出场顺序就显而易见了，完全是按照第一天的比分从低到高的顺序上场的。以至于我们上午基本没有兴趣进场观看比赛，而是在更好玩的展览区游荡，下午几个强队出现的时候我们才重新坐进了观众台。两天的挑战赛虽然稍显冗长，但是过程中仍然有很多让人眼前一亮的精彩表现。

最坚强机器人：CHIMP

来自卡耐基梅隆大学的CHIMP机器人是第一天唯一一个完成了所有的任务得到8分满分的一支队伍，在第一天结束的时候位列第一。 CHIMP采用的是一个可变形的结构，可以像人一样双腿直立，也可以将两个下肢变形成两个履带而保持上肢，还可以将四肢都变形成履带。根据任务不同可以变换不同结构，比如下车的时候采用的就是双腿直立结构，下车后需要移动到门口的时候，就变形为双履带结构，然后用双臂开门。 值得一提的是，CHIMP在将门推开的时候由于用力过猛，身体失去平衡，一头栽到在里面的地上。大家以为又要上吊车或担架了，结果在趴地足足几分钟后，这个浑身红色的机器人硬生生通过自己变形起来了。全场哗然，继而观众席响起了热烈的掌声和欢呼声。最坚强机器人的称号非CHIMP莫属啊！ CHIMP的主要缺点是动作实在太慢了，第一天足足用了55分钟才完成所有任务，我们后排的几个美国小朋友对此表示“牢骚满腹”。然而第二天CHIMP的表现差强人意，所以取最高成绩的第一天，最终获得了第三名的成绩，拿到了50万美金的奖励。

最敏捷机器人：DRC-HUBO

DRC-HUBO机器人是由韩国的KAIST队派出的选手，动作敏捷的程度无可匹敌。不知道是不是秉承了韩流的风格，DRC-HUBO的身形也较很多队的机器人苗条，是为数不多的几个可以坐在越野车驾驶员位置的机器人——大部分的机器人都只能坐在副驾驶的位置，将一支手臂伸长握住方向盘，开始我们还以为是设计策略，后来经主持人介绍，才知道原来是个头太大，驾驶员位置根本塞不进去。 在驾车阶段，DRC-HUBO就显示出了超快的驾驶速度，不到一分钟就从操控中心到达了废墟门口，而大部分其它机器人都用了至少5、6分钟才完成第一个任务。速度方面唯一可以和他匹敌的是德国队的Nimbro。 然而第一天DRC-HUBO的排名并没有在前三，主要的原因是在完成第五个任务在墙上钻洞的时候出现了重大失误。这是所有任务中相对较难的一个，要求机器人连续做好几个动作才能顺利完成，而且在通讯信号不好的情况下，这样要求连续动作的任务尤其具有挑战性。DRC-HUBO一开始在抓取钻头的时候就试了很长时间，各种状况频发，掉钻头或钻头方向不对。等终于拿到并启动钻头的时候，在墙上钻孔的位置又出现了偏差。 DRC-HUBO在钻孔上死磕的结果就是出师未捷身先死，最终被吊车抬出去修复了，后来再回来完成其它任务之后，时间已经耽搁得太久了。看来比赛还是要讲究策略的！ 第二天，韩国队汲取了第一天的教训，并在短短一个晚上反复练习钻孔任务，最终完成了所有八个任务，得到了满分8分，并且用的时间最短（44分钟）。

最佳亲友团机器人：ihmc

ihmc是来自佛罗里达人机识别研究所的机器人，两天都表现稳定，第二天成绩更好，也得到了8分的好成绩，用时比韩国KAIST对长6分钟左右，最终位居第二名。这也是前三名中唯一采用主办方提供的波士顿动力的Atlas人形机器人的一支队伍。 对于使用Atlas本体的队伍来说，最大的挑战是在废墟门前下车的任务，而ihmc几乎是唯一一个可以稳定完成下车任务不摔倒的机器人。ihmc的亲友团真的是值得称赞，虽然佛州路途遥远，但是仍然很多亲友团拖家带口来给ihmc加油助威，着实让人感动。最后颁奖上台照相的时候，他们甚至不知道从哪里弄了一个沙发搬到台上，以便于台上的参赛队员在沙发上摆出各种搞怪造型。现场小伙伴们及其欢乐！

最具创意机器人：RoboSimian

RoboSimian是来自加州理工JPL国家实验室的机器人，可谓是硬件设计最独特的一个。整个机器人本体是模仿了猴子（Simian）的仿生设计，共有四个肢体，每个肢体都有三个关节，看起来相当灵活，每个肢体都可以作为手臂或者腿来使用。 最让人印象深刻的是RoboSimian独特的下车方式，完全像是一个猴子，前臂攀着汽车的车身保持平衡，后腿先落地停稳，然后再旋转身体将前臂收回来。动作连贯且迅速，真得很赞！ 不过最后一步的爬楼梯是RoboSimian的软肋，两天都没有完成这个任务，因此也没有进入前三名。尽管如此，它的创新设计仍让它赢得了全场的人气。

反观整个挑战赛的结果，前三甲中，主办方DARPA资助越少的反而成绩越好。韩国队因为是外国队，所以没有拿DARPA一份钱；ihmc是DARPA只给了小额资助的一支队伍；而CHIMP应该是一直拿钱拿到手软的队伍。因此最终结果出来的时候，拿了第三名的CHIMP队员们看起来是比较郁闷的。 另一个值得注意的现象是，本次挑战赛大概有6支队伍采用的机器人本体都是Atlas双足机器人，这也是主办方赞助的机器人本体平台。然而对于此类的挑战赛，由于双足机器人天生对平衡性的高要求，导致了这些队大部分都表现不佳。Atlas在单独行走的时候是很稳定的，可是一旦涉及到还需要双臂用力进行各种操作，Atlas就很难再保持平衡。 其它还有3到4支使用非Atlas双足机器人的干脆连行走也不达标，所以这些队伍成绩都是零分。而采用轮式或履带式结构进行行走的机器人表现都不错，无论是平衡性还是速度，都能基本满足要求。应该说可变形机器人是这次DRC的最大赢家！