浙大的機(jī)器狗“絕影”成功逆襲波士頓動力機(jī)器人

（文章來源：DeepTech深科技）

不管怎么說，一談起仿生機(jī)器人，波士頓動力就是一個永遠(yuǎn)繞不過的存在。從雙足人形機(jī)器人，到 Spot mini 四足機(jī)器人，波士頓動力機(jī)器人展示出來的實(shí)力，不僅在美國一枝獨(dú)秀，對比歐洲團(tuán)隊也有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢。

坦白說，波士頓動力自 1992 年成立以來，一直依賴美國國防部和 Alphabet 等財力雄厚的資助者。強(qiáng)大的資源支持和多年的技術(shù)積累，讓波士頓動力憑一己之力，幾乎將全球腿足機(jī)器人劃分成了兩個陣營，波士頓動力和其他。如今，包括波士頓動力在內(nèi)的四足機(jī)器人團(tuán)隊已經(jīng)開始了商業(yè)化探索，中國亦有機(jī)器人團(tuán)隊造出了四足機(jī)器人，同時也開始在市場上尋找合適的商用場景。

經(jīng)過數(shù)年的開發(fā)，2019 年 11 月 1 日，四足機(jī)器人 “絕影” 最新迭代版本發(fā)布，在運(yùn)動性能和感知能力方面得到了進(jìn)一步提升，特別是在復(fù)雜地形上的奔跑步態(tài)和跳躍步態(tài)的實(shí)現(xiàn)，在四足機(jī)器人的控制算法上再次取得突破。

如今的 “絕影” 身長 85 厘米，站立時身高 65 厘米，體重約 40 千克，外形更加靈敏、圓潤。憑借仿生腿部設(shè)計以及更加強(qiáng)大的關(guān)節(jié)驅(qū)動能力，新 “絕影” 可以躍過約 40 厘米的障礙物，原地起跳高度 70 厘米，立定跳遠(yuǎn)距離可達(dá) 1.5 米?！敖^影”可以后腿發(fā)力、前腿前撲，以重心上下起伏的姿態(tài)奔跑，并平穩(wěn)地跑過布滿大塊磚石的路面。同時，新 “絕影” 具備足夠的感知能力，可以順利地找到自己的“狗窩”——充電樁，趴上去為自己充電。

追求液壓驅(qū)動的關(guān)鍵原因就在于其力量很大。在尺寸相當(dāng)?shù)那闆r下，選擇液壓驅(qū)動的機(jī)器狗相比全電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器狗，在負(fù)重能力上具有明顯優(yōu)勢。

不過，對液壓驅(qū)動的機(jī)器人來說，每一個液壓泵都需要配備一個大功率的發(fā)動機(jī)或電機(jī)，這意味著在提升液壓泵壓力時，會帶來噪音問題?！皬牟ㄊ款D早期視頻來看，帶了一個發(fā)動機(jī)的機(jī)器人，大老遠(yuǎn)都能聽到響聲，這在軍用領(lǐng)域是非常致命的?！辈ㄊ款D動力的大狗機(jī)器人也正因此被美國軍方冷落，有業(yè)界專家告訴 DeepTech，除了噪音，液壓驅(qū)動還存在漏油以及維護(hù)不便等問題。

波士頓動力為了處理這些問題也花了不少力氣，同時其強(qiáng)大的研發(fā)、工程制造能力也在其中得到體現(xiàn)。從此前放出的演示視頻來看，波士頓動力將液壓驅(qū)動所必須的油管以 3D 打印的方式融入在機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)內(nèi)。相關(guān)專家解讀稱，“這個技術(shù)非常厲害，就像人的血管一樣，它不再需要外掛的油管，而是能夠融到機(jī)器人體內(nèi)，同時將整個結(jié)構(gòu)做的非常緊湊。”

在機(jī)器人上采用電機(jī)驅(qū)動，相對來說是一個更加成熟的技術(shù)，“絕影身上采用的電機(jī)與波士頓動力開發(fā)的電機(jī)相比，盡管在性能上會存在差距，但這種差異不會是機(jī)器人運(yùn)動能力的決定性因素?！敝烨飮f道。此外，電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)難度也相對較低。因此，單從硬件角度看，電機(jī)本身并不是決定各機(jī)器人表現(xiàn)的最關(guān)鍵要素，而是要把機(jī)器人機(jī)構(gòu)、驅(qū)動關(guān)節(jié)、以及控制算法等有機(jī)地融合，才能在整體上具有更加優(yōu)異的運(yùn)動表現(xiàn)。

已經(jīng)獲得成熟應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人，比如機(jī)器手，能夠進(jìn)行非常精準(zhǔn)的動作。在諸多行業(yè)的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，機(jī)器手可以進(jìn)行自動化程度極高的生產(chǎn)工作，在效率和精準(zhǔn)性上已經(jīng)優(yōu)于人類。與各種運(yùn)動機(jī)器人相比，四足機(jī)器人憑借其在行走過程中的離散接觸特性，在復(fù)雜環(huán)境中的探索和工作，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，尤其在有障礙物的通道（如臺階、樓梯、斜坡）上具有更廣闊的發(fā)展前景。

不過，由于要在各種各樣的地形上進(jìn)行穩(wěn)定行走，腿足機(jī)器人除了要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，動作卻不能像工業(yè)機(jī)器人那樣“硬”。為此，腿足機(jī)器人腿部的執(zhí)行關(guān)節(jié)部分要采用柔性驅(qū)動的方式，降低機(jī)器人足部著地過程的沖擊力，同時又可以完成既定任務(wù)，提高機(jī)器人的適應(yīng)性。

麻省理工學(xué)院的學(xué)者最先將串聯(lián)彈性驅(qū)動器（Series Elastic Actuator，SEA）應(yīng)用到步行機(jī)器人的驅(qū)動關(guān)節(jié)中。SEA 將彈性元件串聯(lián)在剛性驅(qū)動器與負(fù)載之間，從而實(shí)現(xiàn)精確的力度控制。如今，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的四足機(jī)器人 ANYmal 正采用了這一方案。而從波士頓動力公布的專利來看，Spot mini 采用的是電機(jī) + 諧波減速器，以及力傳感器的方式來實(shí)現(xiàn)柔性控制。

與以上兩種方案都不同，朱秋國團(tuán)隊選擇了一種準(zhǔn)直驅(qū)的方式來帶動機(jī)器人腿部運(yùn)動。這三種驅(qū)動方式都能在控制層面輸出一定的柔性，最終都要做到關(guān)節(jié)不僅僅可以精確地進(jìn)行位置控制，同時還要對力度進(jìn)行控制。這是腿足機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手臂的最大差別。這種柔性是腿足機(jī)器人在復(fù)雜地形下保持穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。機(jī)器人在行走時的靈活性和穩(wěn)定性與此息息相關(guān)。

對腿足機(jī)器人開發(fā)工作而言，這是硬件設(shè)計層面的要點(diǎn)之一，也是判斷機(jī)器人是否具備柔性控制的基本條件。三種硬件設(shè)計方案都是為了解決同一個柔性問題，而設(shè)計的不同則會帶來機(jī)器人能力上的差異。從目前國內(nèi)外公開的數(shù)據(jù)來看，比如在速度方面，波士頓動力 spot mini 的最大運(yùn)動速度為 5.76 公里 / 小時；新 “絕影” 最高速度能夠超過 7 公里 / 小時；蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)器人則為 3.6 公里 / 小時。

但不足之處在于，“絕影”的腿部關(guān)節(jié)顯得更大。波士頓動力的 spot mini 的設(shè)計方式?jīng)Q定了關(guān)節(jié)比較輕巧，其對緊湊性的追求讓它在美觀性上有更好的表現(xiàn)。不過朱秋國也指出，由于需要在關(guān)節(jié)內(nèi)增加力傳感器，這會帶來可靠性和穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。硬件層面的設(shè)計就是為了更好地被控制，而控制的目的就是讓硬件能展現(xiàn)出更好的靈活性，兩者之間是相輔相成的。因此，軟硬件的配合才至關(guān)重要。

因此，在腿足機(jī)器人的開發(fā)中，需要從一開始就考慮軟硬件的配合問題。據(jù)朱秋國介紹，團(tuán)隊成立機(jī)器人公司云深處之初，就配備了機(jī)械工程師、控制算法工程師以及負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制的工程師。資料顯示，云深處科技創(chuàng)立于 2017 年底，并于 2018 年 7 月完成天使輪融資。目前，波士頓動力已經(jīng)開始探索四足機(jī)器人的商用場景。

2019 年 9 月，波士頓動力宣布 Spot mini 已開始銷售。這意味著這臺明星機(jī)器人已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，開啟了商用化的探索。同時這也是波士頓動力構(gòu)建其平臺和生態(tài)的開始。波士頓動力當(dāng)時稱這種銷售為“早期采用者計劃”，主要針對企業(yè)用戶。其公司不會透露具體的價格細(xì)節(jié)，只是稱，潛在客戶如與他們聯(lián)系，可獲取報價，并且會有租賃的選擇。

作為一個剛面市不久，未在市場里證明自己商業(yè)實(shí)力的四足機(jī)器人產(chǎn)品，波士頓動力宣布開售機(jī)器狗的消息受到廣泛的關(guān)注。在太平洋的另一岸，朱秋國團(tuán)隊也開始了產(chǎn)業(yè)化探索，稱 “絕影 mini” 版本已經(jīng)開始對外銷售，主要面向教育教學(xué)方向，為其他機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊提供硬件產(chǎn)品，讓他們在機(jī)器人上進(jìn)行算法開發(fā)工作。對于 “絕影” 機(jī)器人，朱秋國表示也已經(jīng)與國內(nèi)公司開展合作，目前主要是將 “絕影” 應(yīng)用于巡檢行業(yè)中。

現(xiàn)階段，巡檢領(lǐng)域已經(jīng)在部分場景下采用了輪式機(jī)器人，在一定范圍內(nèi)代替人進(jìn)行日常設(shè)施檢查。由于巡檢范圍可能包括了山區(qū)、郊外等，輪式機(jī)器人無法覆蓋復(fù)雜的地形條件，對臺階、碎石等路面情況也束手無策。在那之后，腿足機(jī)器人將展現(xiàn)出輪式機(jī)器人無法比擬的優(yōu)勢?？偟膩碚f，跨越復(fù)雜地形、上下樓梯會成為腿足機(jī)器人對比輪式機(jī)器人的最大優(yōu)勢。

于此同時，腿足機(jī)器人在硬件成本上比輪式機(jī)器人多出來的部分僅在于執(zhí)行關(guān)節(jié)，目前執(zhí)行關(guān)節(jié)作為機(jī)器人的關(guān)鍵部件在造價上有很好的成本控制方案，尤其是在實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后，售價可以做到與輪式相當(dāng)?shù)乃?，幾乎可以將價格劣勢抹平。
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