導語：Boston Dynamics 在機器人動力方面堪稱翹楚，其由雙足或多足機器人組成的機器人天團總是時不時能給我們帶來驚喜。上周，Boston Dynamics 又發(fā)布了一段視頻，并再次推出了一款全新機器人——Handle，這也是Boston Dynamics 首次嘗試輪式機器人。從視頻中我們可以看到，Handle 機器人能夠載重、下蹲和跨越障礙物，比上一款 Atlas 機器人更為先進。Boston Dynamics 公司創(chuàng)始人兼總裁 Marc Raibert 在接受 IEEE Spectrum 采訪時表示，雙輪仿人形機器人是一個偉大的發(fā)明，使用輪腿混合系統(tǒng)是個兩全其美的解決方案。    

為什么Boston Dynamics 要選擇輪腿混合系統(tǒng)，相對于Altas 的雙足系統(tǒng)來說突破點在哪里？加了個雙輪后，比之前的雙腿直立行走控制難度變小了還是變大了？平衡車和Handle的輪子在穩(wěn)定結構方面有什么不一樣的地方？對于這些大家都比較好奇的問題，雷鋒網(wǎng)本期公開課我們邀請到浙江大學控制學院機器人實驗室博士李超為我們一一解答。

嘉賓介紹：

李超，浙江大學控制學院機器人實驗室博士，“赤兔”四足機器人運動控制負責人，波士頓動力的忠實擁躉，足式機器人實用化方向的創(chuàng)業(yè)者。

主要研究領域是足式機器人的運動規(guī)劃與平衡控制。作為核心骨干，研制了目前國內(nèi)唯一能夠實現(xiàn)奔跑的電驅四足機器人“赤兔”， 并獲得廣泛關注和認可。

所在“赤兔”團隊專注于足式機器人實用化和產(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)公開課的分享。關注雷鋒網(wǎng)旗下微信公眾號「新智造」，可獲取嘉賓完整PPT。

公開課視頻：

文字整理部分：

從這個視頻我總結了Handle幾個亮點：新的機器人形態(tài)：輪+腿；運動更加快速靈活；超強的彈跳能力。

Handle展示的功能包括快速加速和制動；運動過程中轉彎和原地的高速轉彎；單輪過斜坡，姿態(tài)保持穩(wěn)定；Endpoint Control（Spotmini展示）；搬運貨物（100lbs）；快速下臺階；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的技術。

Handle主要技術包括腿式機器人；輪式和平衡車；地圖構建與定位導航；移動操作（Mobile Manipulation）；系統(tǒng)設計與集成。

波士頓動力（Boston Dynamics）

波士頓動力發(fā)展路線

波士頓動力是在1992年創(chuàng)立的，創(chuàng)立時間比在2013年將其收購的谷歌還長（雷鋒網(wǎng)注：2016年3月有媒體爆出消息，Google母公司Alphabet計劃放棄機器人計劃，并出售收購不到3年的波士頓動力。）。創(chuàng)始人Marc Raibert 可以說是我的偶像，他時常穿著一件花襯衣，我總覺得他像一個挺慈祥的老人。

波士頓動力創(chuàng)始人Marc Raibert

我一直認為波士頓動力是創(chuàng)業(yè)公司但不是初創(chuàng)公司，它的主要產(chǎn)品是雙足和四足機器人，而它的相關技術在成立之后很少公開，很多時候參考Raibert在MIT Leglab的工作（雷鋒網(wǎng)注：1980年Raibert在卡內(nèi)基?梅隆大學創(chuàng)立了CMU leg實驗室，主要從事研究與機器人相關的控制、機器視覺放方面的技術，當時Raibert在這個大學擔任副教授，到1986年，當Raibert升任麻省理工學院電子工程與計算機科學系的教授后，他將實驗室搬到了麻省理工學院）。

Marc Raibert在1980s做的機器人研究

這個研究路線是從單腿到雙腿到四足，其中單腿是基礎，我個人感覺它的運動控制核心是動態(tài)平衡（Dynamic Balance）。其實我感覺Boston Dynamics 應該翻譯成波士頓動態(tài)或者波士頓動力學，而不是波士頓動力。

單腿機器人

單腿彈跳的原理包括運動對稱性和落腳點控制。其中，運動對稱性的現(xiàn)象是指單腿機器人以一定速度跳躍落地對應一個特殊的落腳點 （NP點，Neutral Point），機器人落地后的運動狀態(tài)相對于NP點左右對稱，最后機器人會以相同的速度離地。

落腳點控制是核心的。如果機器人需要以當前速度繼續(xù)運動，就將落腳點控制到NP點著地；如果需要加速，就將落腳點控制到小于NP 點著地；反之，如果需要減速，就需要以大于NP點的落腳點著地。

單腿彈跳的過程其實就像小朋友玩的彈跳器，正常的時候你只要保持彈跳器豎直著地就可以在原地不斷彈跳，如果你想向前運動，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，就需要人腿的彈跳器著地的時候加下力。

雙足機器人

雙足跑步

雙足跑步可以等效成兩條單腿相互交錯運動，即兩條腿的運動在相位上相差180度，就可以產(chǎn)生向前彈跳的運動。其實雙腿從算法和硬件上都比單腿容易，因為飛行相占比少很多。

雙足步行

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

雙足平衡

雙足平衡控制，按照應對擾動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。外部擾動后，身體的質(zhì)心投影位置（CoM）依然在腳掌范圍內(nèi)，則通過扭動腳掌踝關節(jié)，將身體控制回原位；當CoM超出腳掌范圍，則通過髖關節(jié)的作用（身體的扭動）將身體拉回原位；當擾動過大超出髖策略的應對范圍，則通過邁步的方式在下一步把身體的運動狀態(tài)控制回來；最后，當擾動過大超出跨步策略的應對范圍，機器人的摔倒不可避免，則及時將機器人調(diào)整到一個安全的姿態(tài)，以避免機器人倒地時受損或過度受損。

四足運動

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

Why輪+腿？

足式機器人優(yōu)勢：

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

波士頓動力SpotMini機器人在室內(nèi)外任意行走

谷歌收購的另一個機器人項目Schaft

足式機器人劣勢：

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比圖。比如說人在攝入一定能量后如果走路能走1公里，而騎車能騎3公里，而這個時候還要考慮到另外一個因素就是續(xù)航。2013年波士頓動力將動力由汽油改為電池，電池比較小續(xù)航時間也就比較短，所以一定要在能量利用效率上做改進。另外，足式機器人在執(zhí)行任務的時候，面對的絕大部分路面都比較平坦，完全足式效率太低。

2.快速運動能力不足

Handle速度可達24km/h

New Atlas 速度差不多5km/h（猜測）

3.結構復雜，控制難度大，成本高

左為Altas，右為Handle

Handle腿部關節(jié)只有3個，設計、加工和裝配難度都下降

控制難度： 足式步行 >>  輪式運動

Atals腿是3維，Handle腿是2維平面的，算法難度降低

少了三個關節(jié)，驅動和加工成本降低

所以，結合這幾點波士頓動力選擇輪腿結合的方式也是為了揚長避短達到優(yōu)勢互補。在這里我也覺得，輪（履）式結合是足式面向實用化的一個必然趨勢！

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

關于Handle幾個問題

Handle基于Atlas的軀干，雙輪的輪子，突破點在哪里？

個人理解難度突破并不大，主要是波士頓動力面向實際應用，對雙足行走一些固有不足進行完善（行走效率和能量利用效率等）。

目前來看，輪腿（履）混合是足式機器人面向實用化開發(fā)的一個方向，包括DRC比賽第一名韓國HUBO機器人，第三名CMU的chimp機器人。

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

對比ATLAS，控制難度確實變小了。不僅是控制難度變小了，整個腿部驅動和結構設計難度也小很多。

平衡車和Handle的輪子在穩(wěn)定結構方面有什么不一樣的地方？

平衡車和Handle的最大差異是腿的作用。Handle的腿可以模擬主動懸掛系統(tǒng)，可以改變腿長和支撐力。可以通過改變腿長，改變身體重心高度、左右位置和姿態(tài)，提高輪式在復雜路況下的通行能力、身體的平穩(wěn)性和高速運動轉彎時的安全性。另外，因為身體和手臂的扭動可以輔助提高前向運動的穩(wěn)定性。

Handle倒滑+彈跳背后的技術難不難？

倒滑：按之前波士頓動力腿型的介紹，前向和后向滑動的運動控制幾乎沒有差異。倒滑的原因是機器人在襠部豎裝了一個激光雷達（見下圖），前滑時，腿會遮擋視線。

彈跳：對boston dynamcis來說， Handle彈跳的算法難度并不大。見MIT最早雙足機器人空翻視頻，理論上算法難度遠大于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，包括動力和機構。

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

個人對輪式運動不是很了解。但現(xiàn)有的全地形越野車很容易做到這點，甚至可以完成更復雜的任務（并且其懸掛是被動的）。

Handle的優(yōu)勢在于其腿模擬一個主動懸掛，可以主動控制腿長和支撐力。更有利于重心的調(diào)整和姿態(tài)控制。

兩個輪子不轉的時候能走路嗎？

不行。主要原因：

1. 機器人側向無法平衡。腿部的自由度不夠，特別是髖缺少Roll （側擺）關節(jié)。簡單來說：走路時。

2. 行走方向很難控制。髖缺少Yaw（偏轉）關節(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。

足式機器人未來和挑戰(zhàn)

Handle待解決問題：

上臺階問題。（易解決）

自主移動與自主操作問題。（機器人是一個完整的系統(tǒng)，光有運動能力并不夠，待無人車技術、人工智能技術等技術一起成熟）

安全性問題。（也是雙足應用的最大問題和瓶頸，致命弱點。雙足重心較高，穩(wěn)定性不夠。故障時，機器人摔倒，如何對環(huán)境的破壞和人員的傷害，基本無解）

強調(diào)動態(tài)平衡/穩(wěn)定（Dynamics Balance/ Stability），欠缺靜穩(wěn)定（Static Stability）。

動態(tài)平衡必須實時依靠控制來完成平衡控制，一旦這種掉電或故障，控制失去，機器人就會失去平衡摔倒。

未來實用化方案：

輪腿式四足機器人。我不知道現(xiàn)在說這話是不是有點馬后炮，不過我們在一年前就嘗試輪腿式機器人，當然，我們期待spotmini的下一代。

我們在做什么？

1. 打乒乓球的仿人機器人“悟”和“空”

   浙江大學控制學院機器人實驗室打乒乓球的仿人機器人“悟”和“空演示視頻

2. 地圖構建與定位導航

浙江大學控制學院機器人實驗室地圖構建與定位導航演示視頻

3. 2015亞馬遜機器人分揀貨物挑戰(zhàn)賽（Amazon Robot Picking Challenge, 5st Place）



4. 移動操作（Mobile Manipulation）



5. 自主行走平衡車

6. 腿式機器人

浙江大學控制學院機器人實驗室單足機器人演示視頻

浙江大學控制學院機器人實驗室雙足機器人演示視頻

浙江大學控制學院機器人實驗室四足機器人“赤兔”演示視頻

四足機器人“赤兔”是我們的一個創(chuàng)業(yè)項目，我們的目標是將四足機器人實用化和產(chǎn)品化。目前我們是個10幾個人的團隊，我們也希望有能力、有共同夢想的小伙伴加入我們，有興趣的可以發(fā)送個人簡歷至lichao8622@126.com。

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