2025/02/25 20:12

从零开始自主「起身站立」，上海AI Lab发布最新控制算法，机器人：起猛了

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近日，上海 AI Lab 具身智能中心研究团队在机器人控制领域取得了最新突破，提出的 HoST（Humanoid Standing-up Control）算法，成功让人形机器人在多种复杂环境中实现了自主站起，并展现出强大的抗干扰能力。

这一创新不仅解决了机器人从坐姿到站姿的转换难题，还为未来人形机器人在家庭、医疗、救援等场景中的广泛应用奠定了基础。

通过强化学习框架和多项技术优化，HoST 算法在仿真和真实环境中均表现出色，为人形机器人应对实际环境中的失衡恢复、动态平衡等挑战提供了创新解决方案，进一步推动具身智能技术的实用化进程。

起猛了，人形机器人竟在上海黄浦江畔平地坐起看日出？

也能像牛顿一样坐在「苹果树」旁，起身看看天上掉下了啥。

在负重、强干扰情况下，也能自如起身。

项目主页：https://taohuang13.github.io/humanoid-standingup.github.io/
论文地址：https://arxiv.org/abs/2502.08378

设想人形机器人能否做到：从沙发上站起，走向桌子，拿起一杯咖啡。尽管最近的工作赋予了它们强大的运动和操作能力，但是沙发上站起这一环节，相对而言缺乏了研究。

大多数工作假设机器人从一个预定义好的站立姿势开始，执行后续任务。研究者认为，学会人形机器人站起控制能够应对上述坐立姿态转换，或是跌倒后站起等场景，有助于进一步提升人形机器人的落地场景。

和此前依赖于预定义轨迹或是忽视真机硬件限制的控制算法不同，HoST 的研究团队提出了一套从零开始、不依赖预定于轨迹的强化学习框架，能够在仿真环境中学会从多种姿势下成功站起，并且能够直接部署到真实机器人上。

核心技术

^{HoST 算法框架}

奖励函数设计与策略优化

不同于行走与操作，站起这一控制任务动态性更强，对上下半身的动态性要求更高。特别的，对于强化学习算法而言，需要克服随时间变化的接触点、多阶段技能学习、精确的身体角动量控制，无疑对奖励函数的设计与策略优化带来了极大的困难。

为此，研究者们设计了多种奖励函数，并将其归类到了四种奖励组：任务奖励、风格奖励、约束奖励与后任务奖励。

为了能更好的平衡各个奖励函数，研究者们紧接着采用了多评论家技术，对每一个奖励函数组分别进行汇报估计，并对每个奖励函数组赋予不同权重，来最终优化控制策略。

探索策略

即使有了合理的奖励函数设计，研究者们依旧观测到了强化学习在探索上遇到的困难。

研究团队从科学家对婴儿的研究中发现，外界的帮助有助于婴儿学习许多动作技能。受此启发，研究者们设计了基于课程的辅助力探索策略。

在训练初期，基于机器人额外的向上的辅助力，帮助其更容易的站起，探索到高质量的学习样本。随着机器人逐步掌握站起能力，这一辅助力会逐步减小至零，使得机器人最终学习到无辅助力帮助下的站起控制。这一设计极大的加快了学习效率。

运动约束

研究者们观测到机器人容易学到剧烈的站起策略，为了克服这一问题，他们引入了动作缩放系数（动作界限），该缩放系数决定了 PD 控制器中的目标关节角与当前关节角的最大偏差，从而隐式的约束关节最大的力矩与速度该缩放系数初始被设置为 1。随着学习的进行，该缩放系数逐渐减弱至 0.25。

此外，研究者们还观测到了站起过程中的行为抖动。为了避免这个问题，他们在值函数网络和策略网络优化时采用了平滑约束方法（L2C2）。

真机策略迁移

为了模拟真实世界中可能见到的初始姿势，研究者们在仿真训练中设计了四种地形：平地、平台、斜坡和靠墙，以模拟真实世界中常见到的环境。

另外，为了减小物理仿真与现实中的物理参数差异，研究者们还采用了域随机化（domain randomization）的技术，在仿真中给予某些物理参数一些随机噪声，例如质心的偏移、base 重力等。

实验评估

仿真环境站起动作质量

为了更好的评估站起动作，研究人员首先提出了四个量化指标：成功率、双脚移动距离、动作平滑度和消耗能量。基于此，他们首先对 HoST 与其消融版本在仿真中进行了比较。结果如下表显示，多评论家、辅助力探索、运动约束均对策略学习有着显著的影响。

例如，机器人在缺少前两者的情况下，无法在大多数地形上成功学到站起技能；缺少运动约束会使得站起动作不够平滑。这些验证了上述技术设计的重要性。

真实环境站起动作质量

接着，研究者们将控制策略直接部署到机器人 Unitree G1 上，并且在室内外多种场景进行了测试。如下图所示，在多种地形上均实现了成功站起，包括木质平台、草地、平台、斜坡、靠树、石子路等。

其中，在室内场景下，研究者还对比了平滑约束对真机表现的影响。如下图所示，平滑约束显著提升了站起动作的平滑度与其成功率。

鲁棒性测试

在负重、外部冲击力、软质地面障碍物以及随机扭矩丢失等复杂外部干扰条件下，HoST 依然能够保持稳定站立、从摔倒中迅速恢复，并维持动态平衡。

工程Humanoid Standing-up Control