1.3.3 核电站事故与DARPA机器人挑战赛（2011—2015）

1.福岛第一核电站事故

2011年3月11日下午2点46分，宫城县近海发生了9.0级的地震，当时正在运行的福岛第一核电站1～3号机组因地震而关闭，但地震造成的高压钢塔倒塌和海啸淹没了应急柴油发电机，从而失去了所有电力。失去冷却手段的反应堆在当晚发生了熔毁，反应堆内的辐射水平上升。通过现场工人和救援人员的努力，才使反应堆恢复到稳定状态，这个事件中并没有利用机器人技术。

福岛第一核电站事故暴露出机器人技术对现实的无能为力，这给全世界的机器人研究人员带来了冲击，对以后的机器人研究潮流也产生了很大影响。

2.DARPA机器人挑战赛预选赛

美国国防高级研究计划局（DARPA）制定的DARPA机器人挑战赛（DRC）旨在引领先进的机器人技术，无须派遣救援人员就能应对福岛第一核电站事故等事态[3，5]。

一方面，DRC并没有将参加比赛的机器人限定为人形机器人，而只是要求它们“以类似人类的方式完成既定任务”。事实上，一些参赛队伍带着非人形的机器人参加比赛。例如，卡耐基梅隆大学国家机器人工程中心（NREC）的TartanRescue开发了一个四足机器人CHIMP[2]，每条腿上都配备了轮子。美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的RoboSimian也开发了ROBOSIMIAN[33]，这是一个四足机器人，腿的末端也带有轮子。

另一方面，整个DRC被认为是一个人形机器人比赛，因为波士顿动力公司开发的Atlas人形机器人被提供给选定的团队作为比赛的官方机器人平台，还有许多其他团队带着自己的人形机器人参加。

预选赛于2013年12月在佛罗里达州的Homestead Miami Speedway举行。11个参赛机器人被要求执行以下任务，以应对福岛第一核电站的事故。

（1）车辆：驾驶工作车辆到达目的地并下车。

（2）地形：在不平坦的地形上移动。

（3）梯子：爬梯子。

（4）杂物：清除挡住入口的杂物。

（5）门：打开三扇门并通过。

（6）墙：使用工具破墙。

（7）阀门：关闭三个阀门。

（8）软管：从卷轴上取下消防软管，并将其连接到消防栓上。

冠军由每项任务的得分之和决定（32分为满分），SCHAFT公司（由东京大学稻田实验室的助理教授Yuhi Nakanishi和Junichi Urata于2012年创立）开发的S-ONE获得了冠军。S-ONE有一个伺服放大器和水冷电机，这使得它尽管是电力驱动，却能产生很高的功率，而且它的双足行走性能很好（见图1.9）。TeamIHMCRobotics以20分排在第二位，TartanRescue以18分排在第三位。

3.DARPA机器人挑战赛决赛

DRC决赛于2015年6月在加利福尼亚州波莫纳的Fairplex举行。决赛要求完成以下8项任务。

（1）开车：驾驶工作车辆到达目的地。

（2）撤离：离开车辆。

图1.9 SCHAFT的S-ONE（左），在预选赛的不平整地上行走的S-ONE（右）

（3）门：打开一个门，进入一个建筑物。

（4）阀门：找到并打开一个阀门。

（5）墙：用工具在墙上钻一个洞。

（6）惊喜：五个预先宣布的任务之一。

（7）碎石：穿越不平坦或散落的碎石表面。

（8）楼梯：爬一段楼梯后到达终点线。

与预选赛相比，决赛更简单，但增加了以下规则：（1）在没有人力协助的情况下，在1 h内完成8项任务。（2）没有防止翻倒的安全绳，没有外部电源。因此，比赛更接近真实的灾难现场，对机器人的要求更高。

共有23支队伍参加了DRC决赛。获胜者是韩国KAIST开发的DRC-HUBO+（高170cm，重80kg，共32个自由度，见图1.10）[37]。

该机器人是双足机器人，膝盖部分配备了带有动力的车轮，当变成跪着的状态时，机器人可以凭借稳定的车轮移动。另外，通过旋转腰轴，机器人能够反向弯曲膝盖，还可以爬楼梯。DRC-HUBO+以最短的44min 28s完成了全部8项任务，毫无争议地获得了第一名。

在DRC决赛中获得第二名的是IHMC团队（完成了所有8项任务，耗时50min 26s），该团队使用波士顿动力公司的人形机器人Atlas（190cm，175kg），并利用控制软件实现了双足行走，它还是唯一完成DRC决赛所有任务的纯双足人形机器人。

图1.10 DRC-HUBO+（左），车轮模式下的阀门操作（中），爬楼梯（右）

（图片来源：KAIST人形机器人研究中心）

第三名是TartanResque的机器人CHIMP（完成8项任务，55min15s），CHIMP是一个高150cm、重201kg的非人形机器人，其手臂和腿上有小轮。在DRC决赛的23个机器人中，它是唯一一个能够从跌倒中爬起来并独立完成任务的机器人。

由AIST研究人员组织的AIST-NEDO团队是来自日本的五个参赛团队之一。HRP-2改是HRP-2的改进版，体积更大，功能更强[50]。

图1.11展示了HRP-2改（高171cm，重65kg，32个自由度）。为了完成各种任务，如穿越不平坦的地形、通过门和转动阀门，HRP-2改的四肢长度增加了10cm，关节的执行器增强，手臂的自由度从6个增加到7个，并采用了新的手部结构。

图1.11 HRP-2改（左），执行阀门任务的HRP-2改（右）

东京大学信息系统工程实验室（JSK）为DRC决赛开发了一个高功率真人大小的人形机器人JAXON[53]。它具有类似人类的比例、关节排列、带有水冷电机驱动器的高功率驱动系统以及可以吸收跌落冲击的外部结构（见图1.12）。

图1.12 JAXON-2（左），JAXON-2正在尝试楼梯任务（右）

（图片来源：东京大学信息系统工程实验室）

DRC决赛是一场历史性的比赛，汇集了来自世界各地的人形机器人研究小组，是改变未来几年机器人研究进程的分水岭。在DRC决赛结束后，我向KAIST的吴教授提问：“如果像福岛第一核电站那样的事故再次发生，你会怎么做？”他的回答非常谦虚：“即使有了DRC-HUBO+，仍然难以充分应对。”[114]

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