從Big Dog到Spot Mini:波士頓動力四足機器人進化史

劉京運

前不久，一段視頻刷爆了朋友圈，視頻中一個四足機器人不顧人類的阻攔，奮力打開一扇門，最終得以順利通過。看過視頻的人無一不被機器人的“執(zhí)著”所震撼，一夜之間，這個機器人就成為了當(dāng)之無愧的“網(wǎng)紅”。其實，這個“網(wǎng)紅”正是由美國波士頓動力公司研制的一款名為“Spot Mini”的四足機器人，這不是波士頓動力公司推出的第一款四足機器人，本文以時間為線索，概覽波士頓動力公司四足機器人的研發(fā)歷程，帶你領(lǐng)略“大狗們”的魅力。

機器人誕生的初衷在于服務(wù)人類，將人類從重復(fù)、繁瑣甚至危險的工作中解放出來，進而把有限的人力資源投入到更有價值的生產(chǎn)勞動過程中去。

1920年，“機器人”一詞首次被捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克（Karel Capek）提出，自此，機器人開始了它漫長的發(fā)展進程。

如今，在我們的生活中隨處可見機器人的身影，但它們大多只是“移動的電腦”，僅能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序指令，進行簡單和重復(fù)的操作，這也在一定程度上限制了我們對于機器人的認知。

傳統(tǒng)的認知一旦形成，新鮮事物的出現(xiàn)就會極具顛覆性。2005年，美國波士頓動力公司拍攝的一段長達3分半鐘左右的視頻，在網(wǎng)上引發(fā)了各界的廣泛關(guān)注。視頻內(nèi)容顯示，一臺四足機器人在身負重物的情況下仍能靈活行走，并且可以對外力干擾做出快速反應(yīng)，始終保持軀體的平衡穩(wěn)定。

一時間，關(guān)于機器人發(fā)展前景的探討再次成為炙手可熱的話題，波士頓動力公司也順理成章地成為了眾人關(guān)注的焦點。

波士頓動力公司

波士頓動力公司成立于1992年，主要開展機器人相關(guān)研究工作，其目標(biāo)是打造像人或動物那樣，能夠在現(xiàn)實世界中靈活工作的智能機器人，成立至今，吸引了眾多來自世界各大院校的頂尖科研人才。波士頓動力公司之所以能具備如此強大的號召力，與其創(chuàng)始人馬克·雷波特（Marc Raibert）不無關(guān)系。

馬克·雷波特是典型的學(xué)院派創(chuàng)業(yè)者，其在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位后，在卡耐基·梅隆大學(xué)創(chuàng)立了CMU ?leg實驗室，并擔(dān)任副教授一職。1986年，馬克·雷波特重新回到麻省理工學(xué)院，繼續(xù)從事機器人的開發(fā)和研究工作，并最終于1992年離開MIT，創(chuàng)建了如今的波士頓動力公司。

機器人必須具備的三項能力

美國科幻小說家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）于1950年，在其代表作《我，機器人》一書中，提出了機器人所需遵守的三條法則，后人將其稱為“機器人三定律”，即：

·機器人不得傷害人類個體，或者目睹人類個體將遭受危險而袖手旁觀;

·機器人必須服從人給予它的命令，當(dāng)該命令與第一定律沖突時例外;

·機器人在不違反第一、第二定律的情況下要盡可能保護自己的生存。

這三條定律在一定程度上為機器人的研發(fā)工作提供了參考，強調(diào)了在機器人研發(fā)過程中所需遵守的安全性準(zhǔn)則，但這三條定律應(yīng)用的前提是機器人足夠智能，就目前而言，機器人的智能化水平依然較低，因此，這三條定律尚不具備充足的用武之地。

要想讓機器人更智能，首先要做到的是讓機器人能夠像人或動物一樣自由行動。在馬克·雷波特看來，要想實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須讓機器人具備以下三項能力：

·平衡性和動態(tài)運動能力

·對于運動的控制能力

·移動感知能力

平衡性和動態(tài)運動能力能夠讓機器人在任意地方、任何地形保持平衡，并實現(xiàn)自由活動，這意味著機器人的工作范圍得到了有效擴展。對運動的控制能力是指機器人可以靈活地操控物體（如使用鍵盤和遙控器等），同時進行自由活動，這意味著機器人能夠在移動的過程中輕松完成各項操作任務(wù)。移動感知能力是指機器人能夠感知空間中物體的穩(wěn)定存在，即便視線移向別處也能夠避開障礙，這意味著機器人能夠繪制出周邊環(huán)境的障礙位置圖，從而在前進或后退的過程中都能夠有效避開障礙物。

波士頓動力公司正是從以上三點出發(fā)，開展對機器人的各項研發(fā)工作的。

Big Dog：踹不倒的機器人

Big Dog被人們親切地稱為“大狗”，是波士頓動力公司于2005年推出的一款四足機器人，也正是這款四足機器人讓波士頓動力公司名聲大噪。大狗拋開傳統(tǒng)的輪式或履帶式機器人，轉(zhuǎn)而研究四足機器人，是因為四足機器人能夠適應(yīng)更多地形地貌，通過性能更強。

在波士頓動力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Big Dog在裝載著重物的情況下，仍能對人類從其側(cè)面的踢踹做出靈敏的反應(yīng)，始終保持站立的姿態(tài)。

Big Dog高度約為1米，重量約為109公斤，可以背負45公斤的有效負載進行自由行走或奔跑，最快移動速度可達6.4公里/小時，最大爬坡角度可達35度。同時，Big Dog能夠適應(yīng)多種復(fù)雜路況，即便在雪地或泥洼中也能行走自如，就算有人在其側(cè)面施加外力，Big Dog也能快速調(diào)整四足動作，以保持身體穩(wěn)定，避免摔倒。它之所以具備如此強大的能力，離不開其精巧的設(shè)計結(jié)構(gòu)和縝密的計算系統(tǒng)。

Big Dog以四足哺乳動物的軀體結(jié)構(gòu)為參考，采用機械方式進行組裝，四肢具備的關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)可以有效吸收沖擊，起到減震作用;其整體具有16個自由度，可以在橫縱兩個方向自由移動，除此之外，Big Dog由一臺汽油發(fā)動機提供動力，發(fā)動機驅(qū)動液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動輸出動力，進而控制每段肢體的動作，實現(xiàn)了軀體的靈活運動。

Big Dog搭載的運動控制系統(tǒng)有效保障了機器人運動的獨立自主性，僅需要少量的人工干預(yù)，機器人就可以完成既定任務(wù)。該運動控制系統(tǒng)通過安裝在關(guān)節(jié)和足底等區(qū)域的傳感器檢測肢體狀態(tài)信息，借助陀螺儀和慣性傳感器監(jiān)測軀體的平衡穩(wěn)定信息，從而能夠及時對平衡干擾因素做出快速反應(yīng)，有效保證了重心穩(wěn)定，使得機器人能夠保持平穩(wěn)的姿態(tài)前行。

同時，它還具備較高的導(dǎo)航智能性，可以通過激光雷達傳感器和立體視覺傳感器自主感知周邊的環(huán)境信息，進而在虛擬環(huán)境中構(gòu)建地形模型，同時借助自身搭載的運算電腦進行路徑規(guī)劃，依靠運動控制系統(tǒng)沿規(guī)劃路徑到達目標(biāo)點。

盡管Big Dog擁有強大的功能，但由于其運行過程中噪音較大，最終沒有被美國軍方采用。

LS3：能擔(dān)能抗的大力士

LS3又被稱為“阿爾法狗”，其中“LS”是“Legged Squad”的縮寫。LS3機器人是波士頓動力公司繼Big Dog之后推出的一款新型四足機器人，于2012首次公開亮相。與Big Dog相比，LS3的體型更為龐大，負載能力更強，移動速度也更快，實用性能有了大幅提升。

在波士頓動力公司發(fā)布的宣傳視頻中，LS3在裝載著重物的條件下，仍能靈敏地爬上山坡或通過崎嶇的爛路。

LS3高度約為1.7米，重量約為509公斤，可以背負181公斤的有效負載進行自由行走和奔跑（在一次平地測試中，LS3曾創(chuàng)下背負500公斤負載進行自由行走的紀(jì)錄），最快移動速度可達45公里/小時，在實際測試中，LS3可在崎嶇的山路中依然保持較快的前進速度。

它具有12個自由度，由燃氣發(fā)動機或柴油發(fā)動機提供動力，發(fā)動機驅(qū)動液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動輸出動力，進而控制每段肢體的動作，實現(xiàn)軀體的靈活運動。在燃料充足的情況下，LS3可運行24小時，最遠行駛里程可達32公里。

LS3繼承了Big Dog的移動特性，通過借助地形感測、避障和GPS等技術(shù)，保障前行過程中的安全性，從而可以順利到達目標(biāo)地點。除此之外，LS3采用計算機視覺技術(shù)，實現(xiàn)了自動跟蹤，因此它無需搭載專用的驅(qū)動程序即可跟隨目標(biāo)人員前行。

LS3參與了美國軍方的作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)，但由于其自身運行噪音問題沒有得到有效解決，且故障維修難度較大，最終還是遭到美國軍方棄用。

Wild Cat：機器人領(lǐng)域的運動健將

Wild Cat又稱“野貓機器人”，是波士頓動力公司于2013年推出的一款四足機器人，其前身是Cheetah，即“獵豹機器人”。Cheetah的軀體上方連接著多根線纜，這也注定它只能是一款在實驗室中運行的機器人。

在波士頓動力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Cheetah在跑步機上創(chuàng)造了48公里/小時的機器人奔跑時速紀(jì)錄。

盡管Cheetah只能在實驗室中運行，但它卻創(chuàng)下了48公里/小時的奔跑速度紀(jì)錄。Cheetah采用關(guān)節(jié)型的背部結(jié)構(gòu)，這使得Cheetah的背部結(jié)構(gòu)能夠在其奔跑過程中靈活運動，以更好地協(xié)調(diào)整體姿態(tài)，提高步幅和奔跑速度。

在波士頓動力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Wild Cat可以在戶外敏捷地奔跑，并且可以輕松跳過障礙物甚至在奔跑過程中實現(xiàn)急停、掉頭等操作。

我們可以將Wild Cat看做是Cheerah的“無線版本”，它的高度約為1.17米，重量約為154公斤，最快移動速度可達32公里/小時。Wild Cat可以適應(yīng)多種地形，在復(fù)雜路況條件下也能以16公里/小時左右的速度保持前行。除此之外，Wild Cat還能夠?qū)崿F(xiàn)快速跳躍和快速轉(zhuǎn)身等動作，相較于Big Dog和LS3而言，靈活性有了大幅提升。

Wild Cat具有14個自由度，由一臺甲醇發(fā)動機提供動力，發(fā)動機驅(qū)動液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動輸出動力，進而控制每段肢體的動作，實現(xiàn)軀體的靈活運動。除此之外，Wild Cat采用激光測距儀來精確測量機器人距地面高度及自身姿態(tài)等信息，并通過動態(tài)控制算法計算出四肢所需執(zhí)行的動作，進而實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

雖然Wild Cat采用了甲醇發(fā)動機，但運行噪音依然較大，未來如果采用電池能源提供動力，那么Wild Cat就可以實現(xiàn)低噪奔跑，提高其自身的隱蔽性，從而在戰(zhàn)場上發(fā)揮出色作用。

Spot：小巧靈活的機靈鬼

波士頓動力公司先后研發(fā)了Big Dog、LS3和Cheetah三款四足機器人，盡管這些機器人在性能方面都有著卓越的表現(xiàn)，但由于噪音問題較為突出，最終都沒有得到廣泛使用。因此，波士頓動力公司充分總結(jié)了過去的經(jīng)驗和教訓(xùn)，打造了一款名為“Spot”的新型四足機器人。

在波士頓動力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Spot機器人實現(xiàn)了低噪運行，可以借助兩條肢體在原地跳躍而不摔倒，并且可以靈活上下樓梯。

Spot是波士頓動力公司在2015年推出的一款四足機器人，其高度約為0.94米，重量約為75公斤，可背負45公斤的有效負載進行自由行動或奔跑。從波士頓動力公司官方發(fā)布的視頻來看，Spot的爬坡速度較Big Dog更快，步伐更靈敏。

Spot具有12個自由度，采用電池能源提供動力，從而驅(qū)動液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動輸出動力，控制每段肢體的動作，實現(xiàn)軀體的靈活運動。采用電池能源這一舉措，有效控制住了機器人的運行噪音，但與此同時，機器人的運行時間也受到了影響。在充滿電的情況下，Spot可以連續(xù)運行45分鐘左右，這與LS3最長連續(xù)運行24小時的時間形成了鮮明對比。

Spot采用激光雷達傳感器和立體視覺傳感器感知周邊路面信息，從而有效避開路面障礙，合理協(xié)調(diào)四肢動作，但Spot的移動并不完全依靠這套傳感系統(tǒng)，有時候它也靠“感覺”。

在波士頓動力公司官方發(fā)布的視頻中有這樣一幕：Spot正獨自攀上一段臺階，但它并不能根據(jù)臺階的高度和寬度調(diào)節(jié)步高和步幅，盡管每一節(jié)臺階都較矮且寬，但Spot還是保持較高的步高和較短的既定步幅，這導(dǎo)致它在攀爬過程中出現(xiàn)了一次失誤。因此我們可以想象，如果這組臺階每一節(jié)的高度和寬度都不同的話，那么Spot的失誤或許會更多。

之所以會出現(xiàn)這樣的失誤，原因在于Spot在攀爬臺階的過程中，激光雷達傳感器和立體視覺傳感器不能捕捉到完善的路面信息，因此Spot需要根據(jù)僅有的少量路面信息估算四肢的動作，盡管這對Spot通行能力的影響幾乎可以忽略不計，但這卻為波士頓動力公司進一步完善機器人行為能力，提供了典型素材。

Spot Mini：執(zhí)著的“獨臂勇士”

2017年11月，波士頓動力公司對外展示了其研發(fā)的最新一款四足機器人Spot Mini。與Spot相比，Spot Mini的外形更加小巧，并且在頭部增設(shè)了一副機械臂，機械臂的頂端是一個夾手，可以靈活操控物體。

在波士頓動力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Spot Mini在人類阻攔的條件下，仍用自身搭載的機械臂奮力打開了關(guān)閉著的鐵門。

Spot Mini高度約為0.84米，重量約為30公斤，可背負14公斤的有效負載自由行動或奔跑。與Spot相同，Spot Mini也采用電池能源提供動力，從而驅(qū)動液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動輸出動力，控制每段肢體的動作，實現(xiàn)軀體的靈活運動。與Spot相比，Spot Mini的單次運行時間有了較大提升，在滿電狀態(tài)下可運行約90分鐘。

Spot Mini繼承了Spot的所有移動特性，并具有17個自由度，其中有5個自由度位于其頂部的機械臂上，其余12個自由度平均分布于四肢。機械臂的作用不僅在于操縱物體，還可以在Spot Mini跌倒時輔助其重新站立。

Spot Mini的機械臂上搭載了一個攝像頭，這有助于幫助機械手準(zhǔn)確地找到目標(biāo)物體。除此之外，Spot Mini的正前方還搭載了一套3D立體攝像頭，這可以幫助它更好地觀察前方的障礙物情況，例如，Spot Mini可以在遇到桌子時降低姿態(tài)，從桌子下方順利通過。因此，我們有理由相信，Spot Mini在進行類似于攀爬臺階等活動時，會具有比Spot更加出色的表現(xiàn)。

波士頓動力公司曾贈送給特斯拉公司CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）一臺Spot機器人，當(dāng)埃隆·馬斯克在戶外運行這臺機器人時，旁邊有一只小狗卻一直沖著Spot狂吠不止，這個細節(jié)雖然有趣，但也應(yīng)該引起我們對于機器人外形設(shè)計的重視。由于Spot與Spot Mini有著相似的外形，所以，不難想象，寵物們對于Spot Mini的態(tài)度應(yīng)該也不會太友好。因此，如何讓機器人的外形更好地被動物接受應(yīng)該成為機器人設(shè)計工作的重點之一。

“大狗們”為我們開啟了一扇門

面對機器人智能化程度的不斷提高，有人表示恐懼，也有人表示樂觀，這似乎很好地解釋了“恐怖谷理論”。在一次公開演講中，馬克·雷波特闡明了自己的觀點，他表示，機器人的發(fā)展會給我們的生活帶來積極影響，未來，機器人可以幫助我們照顧父母、看護孩子甚至照顧殘疾人士，而且這一天很快就會到來。

相信你也對網(wǎng)上流傳的Spot Mini開門的視頻印象深刻，其實，Spot Mini打開的不僅是一扇普通的鐵門，更是一扇通向美好生活的大門。只要我們堅定信仰，采用先進的技術(shù)為機器人賦能，那么人機共存、互利共生的盛世局面終會到來，而我們正對這一天的來臨，滿懷期待。