行走的智能：四足仿生移動機器人

江 磊

1 為什么需要四足機器人

隨著技術(shù)的進步，以及人們對智能型移動服務機器人的要求越來越高，以替代人工操為目標的服務機器人逐步成為智慧城市領(lǐng)域的關(guān)注熱點。移動服務機器人作為解決以上問題的切入點，被全球各國所關(guān)注和嘗試，逐步應用于物流運輸、安防服務、自動巡檢、小區(qū)巡邏等領(lǐng)域，包括美國、中國、英國在內(nèi)的頂尖科研機構(gòu)將目光瞄準復雜地形條件下的智能移動服務機器人。

復雜地形條件給移動系統(tǒng)帶來極大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的車輛行走機構(gòu)具有輪式和履帶式兩種基本形式，然而，自它問世以來：“經(jīng)過近百年的努力也未能使輪式或履帶式車輛在松軟地面上的性能得到根本改進?！迸惆榉招蜋C器人進入人類生活，它應當會爬樓梯、上臺階、過草地、過雪地等，但目前的輪式和履帶式機器人是有明顯缺陷的，所以足式移動機器人正在成為全球研究熱點，并成為智能移動服務型機器人的重要組成部分。足式移動機器人按照其“腿部”的數(shù)量不同可以分為單足式移動機器人、雙足式移動人和多足式移動機器人，四足移動機器人在非結(jié)構(gòu)地形條件下具有更先天的優(yōu)勢，使其成為足式移動的先鋒。

有機構(gòu)預測，到2020年，中國的智能移動服務型機器人銷量將會達到4000多萬臺，服務機器人企業(yè)數(shù)量也將逐漸增長，涉及家政服務、物流、公共安全和其他機構(gòu)等行業(yè)。據(jù)此測算，中國智能移動機器人總的潛在市場規(guī)模超過千億元級別。

2 四足機器人的國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外的機器人研究起步早，發(fā)展較成熟，其中以美國、日本、英國為首的國家，其根據(jù)自身生產(chǎn)力的需求，研發(fā)了各種各樣的機器人。而中國的機器人技術(shù)起步較晚，但是發(fā)展迅速。

在移動機器人方面，美國從1980年開始做的第一款高性能移動機器人到 2016年推出的一系列有顛覆性意義的機器人，歷時36年。中國從2010年研制成功國內(nèi)第一臺液壓驅(qū)動四足仿生機器人，短短幾年時間，我們國家至少有10個單位有能力做整機的高性能四足機器人，在國際上取得非常耀眼的成績。

2016年以后，四足機器人逐漸成為全球研究熱點美國、中國、瑞士、意大利、俄羅斯、韓國、日本等國家都紛紛推出了自主研發(fā)的四足機器人，其中有以下5款主流的機器人。

(1)最強大狗：LS3機器人

LS3是由美國軍方研制出的一種四足移動機器人它被命名為“LS3”，綽號“阿爾法狗”。LS3自重350 kg，載重150 kg；具有大角度坡度、崎嶇不平等全地形適應能力；可語音進行人機交互；擁有慢步行走、小跑、快速奔跑步態(tài)，且摔倒后可自恢復；具有基于感知系統(tǒng)的自主人機跟隨能力。這些特點使得LS3能夠跟在士兵后面穿過復雜地形，同時以一種很自然的方式與士兵互動，就像訓練有素的動物與主人之間的互動一樣。它還可進行偽裝，與周圍環(huán)境融為一體。

(2)最網(wǎng)紅：第三代“獵豹”機器人——DARAP獵豹四足機器人

第三代獵豹機器人由麻省理工學院研制，重 90磅(約40.8 kg)，體型和一只金毛犬差不多。其具有靈活的脊椎和鉸接式頭部，并裝配有一系列高科技裝備，包括激光陀螺儀、照相機和隨載計算機等。它具有正反關(guān)節(jié)配置，可大范圍姿態(tài)調(diào)節(jié)，能夠完成慢速小跑(0.5 m/s)、快速小跑(1.7 m/s)、跳躍(2.7 m/s)、奔跑(3 m/s)、原地起跳、爬樓梯、抗側(cè)向推力、跳躍障礙(76 cm)等動作。

(3)最接近民用：ANYmal四足機器人

ANYmal是一款由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)和ANYmal機器人公司合作研制開發(fā)的四足機器人。這款機器人重約30 kg，可載重10 kg，移動速度與一名靈活的成人步行時無異，依據(jù)不同活動耗能的不同，充電一次可工作2～4 h。其最大特點是ANY drive驅(qū)動器，這個驅(qū)動器可以搭載在4條機械臂上，把機器臂倒過來使用，普通基座式工業(yè)機器人就變成了四足機器人。它的四條腿可以讓機器人爬行、行走、奔跑、跳舞、跳躍、攀爬、攜帶任何任務所需的東西。

(4)最容易被忽視：WildCat四足機器人

波士頓動力研制的WildCat四足機器人，高1.17 m 重154 kg，由甲醇燃燒發(fā)動機提供動力，該發(fā)動機驅(qū)動液壓驅(qū)動系統(tǒng)。該機器人可使用各種步態(tài)，包括小跑、跳躍和奔跑，并保持其平衡。目前在二維縱向平面速度可達到45 km/h。WildCat四足機器人在越野路面上有非常大的使用價值。

(5)最強民用小狗：Spot系列機器人

波士頓動力研制了多款 Spot系列機器人。2015年發(fā)布的Spot由液壓驅(qū)動，自重75 kg、載重35 kg，其頭部有一個快速旋轉(zhuǎn)的傳感器，可以在斜坡、草叢中行走，還能夠爬樓梯、跑步，是當時平衡能力最好的四足機器人。外出的時候，它“懂得”跟著士兵行走，當可能遇到危險的時候，它也可以沖到前線，尋找潛伏的敵人和潛在的危險，減少人員傷亡。2016年發(fā)布的SpotMini由電機驅(qū)動，自重30 kg、載重14 kg，由于沒有任何液壓系統(tǒng)在身體上，所以它是波士頓動力旗下最安靜的機器狗；2018年發(fā)布的SpotMini2的外觀相較SpotMini有了極大改進，在充滿電的情況下可運行90 min，可以彎曲的四肢和靈活的移動性，讓SpotMini2能觸達大型機器人和輪式、履帶式機器人無法觸達的空間，蛇形機器臂可幫助其完成開門一類的動作。波士頓動力已開始量產(chǎn) SpotMini2，并計劃在2019年把這個數(shù)量提高至1000臺。

除了四足機器人，還有多種多樣的足式、足輪式機器人等，隨著技術(shù)的不斷突破，未來，這些機器人在娛樂功能、應急響應、安保、倉儲物流、配送以及工程建設、看護服務等應用場景會產(chǎn)生很大的價值。

我國非常重視高性能四足仿生機器人的開發(fā)，目前國內(nèi)主要有3個重點研究計劃支持：① 2011—2013年國家863計劃先進制造領(lǐng)域“高性能四足仿生機器人”；② 2012—2016年陸軍“十二五”預研“某型無人平臺總體技術(shù)研究”和“十二五”預研加強“某型仿生無人平臺技術(shù)研究”；③ 2017—2020年陸軍“十三五”“某型四足仿生無人平臺”。

3 “奔跑號”四足機器人的研究歷程

中國兵器工業(yè)集團第二〇一研究所兵器地面無人平臺研發(fā)中心，目前是我國唯一集團級的地面無人平臺專業(yè)研發(fā)機構(gòu)。作為專門從事地面無人平臺研究和產(chǎn)品開發(fā)制造的機構(gòu)，該研發(fā)中心將面向海陸空三軍、公安、武警、軍貿(mào)和民用領(lǐng)域，致力于地面無人系統(tǒng)研究、產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，打造我國地面無人平臺產(chǎn)研基地。其發(fā)展于2004年，2012年開始研究四足機器人，目前有3個技術(shù)部，分別是特種地面無人平臺需求論證部門、應用使用部門和研發(fā)部門，共有53名員工，承擔四足機器人領(lǐng)域的相關(guān)重大科技專項、國防高新工程等專項論證。

下面介紹下兵器地面無人平臺研發(fā)中心研發(fā)的“奔跑號”四足機器人的研究歷程。

① 2012—2014年：基于虛擬腿-倒立擺-力反饋控制的最基本模型，來解決四足如何行走問題。

2012—2013年利用CPG模型，開展四足步態(tài)研究，采用CPG(Central Pattern Generator，生物中樞模式發(fā)生器)控制四足機器人節(jié)律行走，實現(xiàn)步態(tài)行走；以犬類動物為例，通常步態(tài)有6種不同形態(tài)，四足動物行走的過程，分為后軀推動前軀朝前移動(支撐項)、一條前腿需向前擺動以防止跌倒(擺動項)，支撐項和擺動項的交替從而實現(xiàn)行走；使用CPG無法產(chǎn)生良好的四足穩(wěn)定性控制策略，但是可以快速對四足機器人的步態(tài)開展研究。

2013—2014年采用虛擬彈簧模型，研究腿足柔順力伺服?；谔摂M彈簧的力伺服模型，建立單腿柔順控制模型；對單腿柔順性開展仿真分析研究，建立基于力伺服的正逆運動學模型；在單腿臺架與整機上，開展性能試驗，調(diào)整伺服參數(shù)，實現(xiàn)底層伺服柔順性控制。同時，采用虛擬腿的模型，實現(xiàn)四足機器人的運動控制，并搭建了高度、速度和姿態(tài)控制模型。高度控制模型實現(xiàn)不同負載、不同地形下保持固定高度；速度控制模型實現(xiàn)由擺動腿的落足點位置控制機身前進速度；姿態(tài)控制模型實現(xiàn)支撐腿對機身姿態(tài)的動態(tài)支撐。

② 2015—2016年：采用滑轉(zhuǎn)率補償?shù)哪Ｐ?，實現(xiàn)野外環(huán)境行走。

由基本原理推導建立量化的、可用于控制實現(xiàn)的數(shù)學模型；通過典型試驗修正模型參數(shù)，驗證模型的精確性；通過仿真分析模型的適應性；在整機控制系統(tǒng)中驗證，即分配控制目標和指標。

③ 2016年起：從室內(nèi)樣機到室外樣機，從摔倒中獲得經(jīng)驗。

任何好的算法真正集成到工程應用上都會有不確定性，我們的國產(chǎn)元器件、傳感器、伺服電機能不能達到我們期望的速度水平，這些是工程化所要面臨的最大問題。機器人需要所有的專業(yè)達到一個非常好的狀態(tài)，才能達到一個相對平穩(wěn)的水平。

為此，我們開展了大量的行走試驗，經(jīng)歷了無數(shù)次的摔倒，優(yōu)化了機構(gòu)和控制模型。目前我們的四足機器人基本達到美國Bigdog的技術(shù)水平，可完成在泥濘路面、沙土路面、草地、丘陵、上下坡、側(cè)傾坡、側(cè)踹、奔跑等復雜條件下的操作。在2016跨越險阻挑戰(zhàn)賽中，“奔跑號”四足機器人實現(xiàn)跨越障礙、上山下地，獲得冠軍。

4 四足機器人的發(fā)展趨勢展望

未來，四足機器人將圍繞“魯棒性”的“4S”發(fā)展。

“魯棒性”的“4S”

(1)Smart：更加智能化

? 使機器人在復雜環(huán)境認知方面更加智能；? 使機器人在復雜環(huán)境落足點選擇方面更加智

能；

? 使機器人在人機交互方面更加智能。

加利福尼亞大學伯克利分校和卡內(nèi)基梅隆大學的實驗室的研究人員在ATRIAS機器人身上演示了機器人如何通過手眼配合走“梅花樁”。

ATRIAS手眼配合走“梅花樁”

(2)Stronger：更加強壯

? 使機器人在承載性能方面更加強壯；

? 使機器人在抵抗大載荷下的擾動變形更加強壯；

? 使機器人在爆發(fā)式動作方面更加強壯。

美國波士頓動力公司研制的 Atlas機器人，可以完成跳躍翻轉(zhuǎn)等一些人類都無法完成的動作。Atlas之所以具有這樣出色的靈活性，關(guān)鍵在于它的腿部，這是其發(fā)展中最具挑戰(zhàn)性的部分之一。Atlas每條支腿都由液壓動力驅(qū)動，需要將多個通道和動力氣缸內(nèi)部集成為一個部件。這個難題已經(jīng)通過3D打印解決了。

Atlas機器人的3D打印腿

(3)Stability：更加穩(wěn)定? 使機器人在抗側(cè)向外力擾動方面更加穩(wěn)定；? 使機器人在抗不平整或松軟地形方面更加穩(wěn)定；

? 使機器人在摔倒自恢復方面更加穩(wěn)定。

DeepMind于2017年連續(xù)發(fā)表了三篇論文，就如何在仿真環(huán)境中生成靈活行為進行了研究。也就是讓機器人通過自主學習糾正在不同環(huán)境下的行走、奔跑、翻越障礙等動作，使其更加穩(wěn)定。

(4)Silent：追求靜默性

美國軍方棄用谷歌的LS3型機器人，理由是噪聲太大。所以要想使機器人得到更廣泛的應用，應使機器人足夠安靜，可從以下三條線來開展研究：

① 發(fā)動機系統(tǒng)的降噪處理；

② 使用電動機+液壓泵的方式降低噪音；

③ 采用純電驅(qū)動方式實現(xiàn)降噪。