導(dǎo)語(yǔ)：Boston Dynamics 在機(jī)器人動(dòng)力方面堪稱(chēng)翹楚，其由雙足或多足機(jī)器人組成的機(jī)器人天團(tuán)總是時(shí)不時(shí)能給我們帶來(lái)驚喜。上周，Boston Dynamics 又發(fā)布了一段視頻，并再次推出了一款全新機(jī)器人——Handle，這也是Boston Dynamics 首次嘗試輪式機(jī)器人。從視頻中我們可以看到，Handle 機(jī)器人能夠載重、下蹲和跨越障礙物，比上一款 Atlas 機(jī)器人更為先進(jìn)。Boston Dynamics 公司創(chuàng)始人兼總裁 Marc Raibert 在接受 IEEE Spectrum 采訪(fǎng)時(shí)表示，雙輪仿人形機(jī)器人是一個(gè)偉大的發(fā)明，使用輪腿混合系統(tǒng)是個(gè)兩全其美的解決方案。    

為什么Boston Dynamics 要選擇輪腿混合系統(tǒng)，相對(duì)于Altas 的雙足系統(tǒng)來(lái)說(shuō)突破點(diǎn)在哪里？加了個(gè)雙輪后，比之前的雙腿直立行走控制難度變小了還是變大了？平衡車(chē)和Handle的輪子在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)方面有什么不一樣的地方？對(duì)于這些大家都比較好奇的問(wèn)題，雷鋒網(wǎng)本期公開(kāi)課我們邀請(qǐng)到浙江大學(xué)控制學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室博士李超為我們一一解答。

嘉賓介紹：

李超，浙江大學(xué)控制學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室博士，“赤兔”四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制負(fù)責(zé)人，波士頓動(dòng)力的忠實(shí)擁躉，足式機(jī)器人實(shí)用化方向的創(chuàng)業(yè)者。

主要研究領(lǐng)域是足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與平衡控制。作為核心骨干，研制了目前國(guó)內(nèi)唯一能夠?qū)崿F(xiàn)奔跑的電驅(qū)四足機(jī)器人“赤兔”， 并獲得廣泛關(guān)注和認(rèn)可。

所在“赤兔”團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于足式機(jī)器人實(shí)用化和產(chǎn)品化的研發(fā)和創(chuàng)業(yè)。

以下內(nèi)容整理自李超在硬創(chuàng)公開(kāi)課的分享。關(guān)注雷鋒網(wǎng)旗下微信公眾號(hào)「新智造」，可獲取嘉賓完整PPT。

公開(kāi)課視頻：

文字整理部分：

從這個(gè)視頻我總結(jié)了Handle幾個(gè)亮點(diǎn)：新的機(jī)器人形態(tài)：輪+腿；運(yùn)動(dòng)更加快速靈活；超強(qiáng)的彈跳能力。

Handle展示的功能包括快速加速和制動(dòng)；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)彎和原地的高速轉(zhuǎn)彎；單輪過(guò)斜坡，姿態(tài)保持穩(wěn)定；Endpoint Control（Spotmini展示）；搬運(yùn)貨物（100lbs）；快速下臺(tái)階；室外雪地滑行；彈跳。其中第二條、第三條以及最后一條展示的是與腿相關(guān)的技術(shù)。

Handle主要技術(shù)包括腿式機(jī)器人；輪式和平衡車(chē)；地圖構(gòu)建與定位導(dǎo)航；移動(dòng)操作（Mobile Manipulation）；系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成。

波士頓動(dòng)力（Boston Dynamics）

波士頓動(dòng)力發(fā)展路線(xiàn)

波士頓動(dòng)力是在1992年創(chuàng)立的，創(chuàng)立時(shí)間比在2013年將其收購(gòu)的谷歌還長(zhǎng)（雷鋒網(wǎng)注：2016年3月有媒體爆出消息，Google母公司Alphabet計(jì)劃放棄機(jī)器人計(jì)劃，并出售收購(gòu)不到3年的波士頓動(dòng)力。）。創(chuàng)始人Marc Raibert 可以說(shuō)是我的偶像，他時(shí)常穿著一件花襯衣，我總覺(jué)得他像一個(gè)挺慈祥的老人。

波士頓動(dòng)力創(chuàng)始人Marc Raibert

我一直認(rèn)為波士頓動(dòng)力是創(chuàng)業(yè)公司但不是初創(chuàng)公司，它的主要產(chǎn)品是雙足和四足機(jī)器人，而它的相關(guān)技術(shù)在成立之后很少公開(kāi)，很多時(shí)候參考Raibert在MIT Leglab的工作（雷鋒網(wǎng)注：1980年Raibert在卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)創(chuàng)立了CMU leg實(shí)驗(yàn)室，主要從事研究與機(jī)器人相關(guān)的控制、機(jī)器視覺(jué)放方面的技術(shù)，當(dāng)時(shí)Raibert在這個(gè)大學(xué)擔(dān)任副教授，到1986年，當(dāng)Raibert升任麻省理工學(xué)院電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的教授后，他將實(shí)驗(yàn)室搬到了麻省理工學(xué)院）。

Marc Raibert在1980s做的機(jī)器人研究

這個(gè)研究路線(xiàn)是從單腿到雙腿到四足，其中單腿是基礎(chǔ)，我個(gè)人感覺(jué)它的運(yùn)動(dòng)控制核心是動(dòng)態(tài)平衡（Dynamic Balance）。其實(shí)我感覺(jué)Boston Dynamics 應(yīng)該翻譯成波士頓動(dòng)態(tài)或者波士頓動(dòng)力學(xué)，而不是波士頓動(dòng)力。

單腿機(jī)器人

單腿彈跳的原理包括運(yùn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)性和落腳點(diǎn)控制。其中，運(yùn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)性的現(xiàn)象是指單腿機(jī)器人以一定速度跳躍落地對(duì)應(yīng)一個(gè)特殊的落腳點(diǎn) （NP點(diǎn)，Neutral Point），機(jī)器人落地后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對(duì)于NP點(diǎn)左右對(duì)稱(chēng)，最后機(jī)器人會(huì)以相同的速度離地。

落腳點(diǎn)控制是核心的。如果機(jī)器人需要以當(dāng)前速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，就將落腳點(diǎn)控制到NP點(diǎn)著地；如果需要加速，就將落腳點(diǎn)控制到小于NP 點(diǎn)著地；反之，如果需要減速，就需要以大于NP點(diǎn)的落腳點(diǎn)著地。

單腿彈跳的過(guò)程其實(shí)就像小朋友玩的彈跳器，正常的時(shí)候你只要保持彈跳器豎直著地就可以在原地不斷彈跳，如果你想向前運(yùn)動(dòng)，就需要改變下彈跳器著地的角度就可以的，如果要跳得高一點(diǎn)，就需要人腿的彈跳器著地的時(shí)候加下力。

雙足機(jī)器人

雙足跑步

雙足跑步可以等效成兩條單腿相互交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，即兩條腿的運(yùn)動(dòng)在相位上相差180度，就可以產(chǎn)生向前彈跳的運(yùn)動(dòng)。其實(shí)雙腿從算法和硬件上都比單腿容易，因?yàn)轱w行相占比少很多。

雙足步行

雙足行走跟雙足跑跳不一樣，一般來(lái)說(shuō)，雙足行走時(shí)身體高度和姿態(tài)均保持恒定。此時(shí)，腿的作用可以模擬成一個(gè)彈簧阻尼系統(tǒng)，完成對(duì)身體高度和姿態(tài)的閉環(huán)控制。水平方向可以等效一個(gè)阻尼器牽引身體的運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)水平速度的閉環(huán)控制。

雙足平衡

雙足平衡控制，按照應(yīng)對(duì)擾動(dòng)量的大小依次可分為4種策略：踝策略、髖策略、跨步策略以及安全倒策略。外部擾動(dòng)后，身體的質(zhì)心投影位置（CoM）依然在腳掌范圍內(nèi)，則通過(guò)扭動(dòng)腳掌踝關(guān)節(jié)，將身體控制回原位；當(dāng)CoM超出腳掌范圍，則通過(guò)髖關(guān)節(jié)的作用（身體的扭動(dòng)）將身體拉回原位；當(dāng)擾動(dòng)過(guò)大超出髖策略的應(yīng)對(duì)范圍，則通過(guò)邁步的方式在下一步把身體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制回來(lái)；最后，當(dāng)擾動(dòng)過(guò)大超出跨步策略的應(yīng)對(duì)范圍，機(jī)器人的摔倒不可避免，則及時(shí)將機(jī)器人調(diào)整到一個(gè)安全的姿態(tài)，以避免機(jī)器人倒地時(shí)受損或過(guò)度受損。

四足運(yùn)動(dòng)

等效雙足策略，就是根據(jù)四足機(jī)器人的不同步態(tài)，通過(guò)力等效原理將四足機(jī)器人等效成不同的雙足機(jī)器人進(jìn)行規(guī)劃控制。

Why輪+腿？

足式機(jī)器人優(yōu)勢(shì)：

立體復(fù)雜路面主要就是臺(tái)階和樓梯，相比履帶式，足式機(jī)器人尺寸小而且更靈活，對(duì)地面無(wú)損壞。總之，走輪（履）式不能走的路，到輪（履）式到不了的地方！

波士頓動(dòng)力SpotMini機(jī)器人在室內(nèi)外任意行走

谷歌收購(gòu)的另一個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目Schaft

足式機(jī)器人劣勢(shì)：

1.能量利用效率低

上圖是不同物種之間的能量利用效率對(duì)比圖。比如說(shuō)人在攝入一定能量后如果走路能走1公里，而騎車(chē)能騎3公里，而這個(gè)時(shí)候還要考慮到另外一個(gè)因素就是續(xù)航。2013年波士頓動(dòng)力將動(dòng)力由汽油改為電池，電池比較小續(xù)航時(shí)間也就比較短，所以一定要在能量利用效率上做改進(jìn)。另外，足式機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，面對(duì)的絕大部分路面都比較平坦，完全足式效率太低。

2.快速運(yùn)動(dòng)能力不足

Handle速度可達(dá)24km/h

New Atlas 速度差不多5km/h（猜測(cè)）

3.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，成本高

左為Altas，右為Handle

Handle腿部關(guān)節(jié)只有3個(gè)，設(shè)計(jì)、加工和裝配難度都下降

控制難度： 足式步行 >>  輪式運(yùn)動(dòng)

Atals腿是3維，Handle腿是2維平面的，算法難度降低

少了三個(gè)關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)和加工成本降低

所以，結(jié)合這幾點(diǎn)波士頓動(dòng)力選擇輪腿結(jié)合的方式也是為了揚(yáng)長(zhǎng)避短達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在這里我也覺(jué)得，輪（履）式結(jié)合是足式面向?qū)嵱没囊粋€(gè)必然趨勢(shì)！

在2015年Darpa機(jī)器人挑戰(zhàn)賽總決賽中（Darpa Robotics Challenge Finals 2015）獲得第一名和第三名的機(jī)器人都使用了輪腿式設(shè)計(jì)。

關(guān)于Handle幾個(gè)問(wèn)題

Handle基于Atlas的軀干，雙輪的輪子，突破點(diǎn)在哪里？

個(gè)人理解難度突破并不大，主要是波士頓動(dòng)力面向?qū)嶋H應(yīng)用，對(duì)雙足行走一些固有不足進(jìn)行完善（行走效率和能量利用效率等）。

目前來(lái)看，輪腿（履）混合是足式機(jī)器人面向?qū)嵱没_(kāi)發(fā)的一個(gè)方向，包括DRC比賽第一名韓國(guó)HUBO機(jī)器人，第三名CMU的chimp機(jī)器人。

Handle加了個(gè)雙輪后，很多人覺(jué)得比之前的雙腿直立行走控制難度變小了，事實(shí)是這樣的嗎？

對(duì)比ATLAS，控制難度確實(shí)變小了。不僅是控制難度變小了，整個(gè)腿部驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度也小很多。

平衡車(chē)和Handle的輪子在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)方面有什么不一樣的地方？

平衡車(chē)和Handle的最大差異是腿的作用。Handle的腿可以模擬主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，可以改變腿長(zhǎng)和支撐力。可以通過(guò)改變腿長(zhǎng)，改變身體重心高度、左右位置和姿態(tài)，提高輪式在復(fù)雜路況下的通行能力、身體的平穩(wěn)性和高速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí)的安全性。另外，因?yàn)樯眢w和手臂的扭動(dòng)可以輔助提高前向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

Handle倒滑+彈跳背后的技術(shù)難不難？

倒滑：按之前波士頓動(dòng)力腿型的介紹，前向和后向滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制幾乎沒(méi)有差異。倒滑的原因是機(jī)器人在襠部豎裝了一個(gè)激光雷達(dá)（見(jiàn)下圖），前滑時(shí)，腿會(huì)遮擋視線(xiàn)。

彈跳：對(duì)boston dynamcis來(lái)說(shuō)， Handle彈跳的算法難度并不大。見(jiàn)MIT最早雙足機(jī)器人空翻視頻，理論上算法難度遠(yuǎn)大于Handle ，更不提Wildcat在高速奔跑Gallop的算法難度。主要難度在于硬件方面，包括動(dòng)力和機(jī)構(gòu)。

Handle的兩個(gè)輪子，一個(gè)輪子在爬坡，一個(gè)輪子在平地，速度肯定不一樣，請(qǐng)問(wèn)這是兩個(gè)輪子的速度和穩(wěn)定性怎么控制的？

個(gè)人對(duì)輪式運(yùn)動(dòng)不是很了解。但現(xiàn)有的全地形越野車(chē)很容易做到這點(diǎn)，甚至可以完成更復(fù)雜的任務(wù)（并且其懸掛是被動(dòng)的）。

Handle的優(yōu)勢(shì)在于其腿模擬一個(gè)主動(dòng)懸掛，可以主動(dòng)控制腿長(zhǎng)和支撐力。更有利于重心的調(diào)整和姿態(tài)控制。

兩個(gè)輪子不轉(zhuǎn)的時(shí)候能走路嗎？

不行。主要原因：

1. 機(jī)器人側(cè)向無(wú)法平衡。腿部的自由度不夠，特別是髖缺少Roll （側(cè)擺）關(guān)節(jié)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：走路時(shí)。

2. 行走方向很難控制。髖缺少Yaw（偏轉(zhuǎn)）關(guān)節(jié)，輪與地面的接觸面不夠，難以提供足夠摩擦扭矩維持身體方向。

足式機(jī)器人未來(lái)和挑戰(zhàn)

Handle待解決問(wèn)題：

上臺(tái)階問(wèn)題。（易解決）

自主移動(dòng)與自主操作問(wèn)題。（機(jī)器人是一個(gè)完整的系統(tǒng)，光有運(yùn)動(dòng)能力并不夠，待無(wú)人車(chē)技術(shù)、人工智能技術(shù)等技術(shù)一起成熟）

安全性問(wèn)題。（也是雙足應(yīng)用的最大問(wèn)題和瓶頸，致命弱點(diǎn)。雙足重心較高，穩(wěn)定性不夠。故障時(shí)，機(jī)器人摔倒，如何對(duì)環(huán)境的破壞和人員的傷害，基本無(wú)解）

強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)平衡/穩(wěn)定（Dynamics Balance/ Stability），欠缺靜穩(wěn)定（Static Stability）。

動(dòng)態(tài)平衡必須實(shí)時(shí)依靠控制來(lái)完成平衡控制，一旦這種掉電或故障，控制失去，機(jī)器人就會(huì)失去平衡摔倒。

未來(lái)實(shí)用化方案：

輪腿式四足機(jī)器人。我不知道現(xiàn)在說(shuō)這話(huà)是不是有點(diǎn)馬后炮，不過(guò)我們?cè)谝荒昵熬蛧L試輪腿式機(jī)器人，當(dāng)然，我們期待spotmini的下一代。

我們?cè)谧鍪裁矗?/h2>

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四足機(jī)器人“赤兔”是我們的一個(gè)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，我們的目標(biāo)是將四足機(jī)器人實(shí)用化和產(chǎn)品化。目前我們是個(gè)10幾個(gè)人的團(tuán)隊(duì)，我們也希望有能力、有共同夢(mèng)想的小伙伴加入我們，有興趣的可以發(fā)送個(gè)人簡(jiǎn)歷至lichao8622@126.com。

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