解析美国发布超级机器人Handle四大技术难点

做为一名儿童编程教育工作者看到这些想说什么呢？ 任重而道远，比特顽童编程实验室BITKID LAB加油！...

这是美国谷歌旗下波士顿动力公司最新发布

一款名为Handle的机器人



把足+轮式的能力直接拔升到了一个闻所未闻的高度



把轮滑发挥到了极致

感觉就像看电影



它的跳跃与缓冲让人惊叹

纵跃1.2m，难以想象

设计这款机器人的工程师绝对的diao炸天



它搬运东西可以下楼梯、穿越雪地

放到指定的位置

整个机器人由电池供能，驱动电机和液压泵。无需外接设备，一次充电续航24千米。

据说这种足+轮式的组合，是一项很难的工程，可不是死掉几千万个脑细胞这么简单的事情，可以这么说，这项技术目前牛的一塌糊涂，若干年后也许我们还在仰望。。。

下面还有更炫的...



有机器臂造型的SpotMini



陪你一起散步的双足机器人Atlas：它身高可达1.9米，体重约150公斤，像人类一样用双腿直立行走。

它主要用来协助救援工作，但经过编程后，它有能力穿越崎岖地形及操作电力设备，可组成未来的“机械步兵团”。



时速超过29英里的猎豹机器人Cheetah



还有他们的另一款机器狗

第一次看见这东西行走时，汗毛都竖起来了！



LittleDog具有人工智能的自我学习能力

分析过往的错误并加以进行调整

看第一次不小心碰了一下

第二次就不会犯同样的错误了



除了能穿过障碍物

最牛的地方能识别前方的沟堑

通过计算后能顺利的跨过去

就像真的动物在过一条沟的感觉



据了解

LittleDog 是波士顿动力公司与南加州大学创建的机器人实验室联合开发

采用了部分BigDog身上的平衡技术和算法

并将其作了微型化处理

其大小只有蓝球这么大

上面还有个提手把

方便随时拎着玩



LittleDog共有四条腿

每个由三个电动马达

内置传感器可测量关节角度

内置锂聚合物电池

允许连续运行30分钟

无线通信和数据记录支持远程操作和数据分析

LittleDog的发展是由DARPA信息处理技术办公室资助



LittleDog最大的挑战就是

将如此复杂的智能机器做得mini小型化

看完上面这个萌萌的小机器狗

真想给它穿件小外套

然后到楼下小区里遛一圈

相信一定会有人问这是什么品种的狗

让我们再来看看

Atlas双足机器人视频：

SpotMini机器狗视频：

终结者真的要来了



关于机器人的运动模式，业内有过很

多讨论，最主流的不外乎两种：一种

是轮式，一种步式。

如果说把轮式跟行走相结合的话，又

会是一种什么结果呢？

关于机器人的运动模式，业内有过很多讨论，最主流的不外乎两种：一种是轮式，一种步式。然而哪一种更好，并没有形同统一意见，从目前的商用情况来看，轮式机器人成为主流，日本软银的Pepper，中国的小宝机器人等都是轮式；而从技术难度和对环境适应性上来看，步态行走机器人要更胜一筹。

如果说把轮式跟行走相结合的话，又会是一种什么结果呢？作为业内行走机器人标杆的波士顿动力不久前就做出了这样一款产品：



没错，就是它，这款双腿带轮子的机器人Handle同时融合了轮式和步式的优点，造型很容易让人联想到中国封神演义中的神话人物：哪吒。



据波士顿动力公司介绍，Handle使用了许多动力学、平衡、移动控制原理，这些是公司之前打造四足和双足机器人采用过的，只不过这款机器人只有 10 个驱动关节。比起之前的机器人，它没那么复杂。轮子可以在水平面上快速滑行，但是Handle也可以使用腿去任何地方。换句话说，兼具轮子和腿部功能的Handle能博采两家之长。

从上述动图中我们可以看出，Handle既能快速地转圈，还能背对着快速下楼梯，轻松地滑下雪坡等。

- 我们来看看IEEE Spectrum专访波士顿动力创始人马克·雷波特的内容，做出这样一台既能行走，又能滑动的机器人有哪些秘诀。

IEEE Spectrum：波士顿动力构造轮式机器人的想法是怎么来的？花了多长时间？

马克·雷波特：我们很长时间以来就有这样的想法了，想造一个将腿和轮子结合起来的机器人，但以前从来没有机会去研究。我们是从去年夏天开始这个项目的，搞了大约半年。我们使用了最初为 Atlas设计的电源、双臂以及上身，这大大加速了项目的进展。

IEEE Spectrum：你们在其他腿式机器人上成功利用的生物启发控制策略，也有用在这个轮腿式机器人上吗？

马克·雷波特：Handle中使用的大多数控制系统都利用到我们的团队在四足和两足机器人上的经验。软件上不完全相同，但是平衡和动态控制的原理有很多共同点，物理原理也是相同的。

IEEE Spectrum：Handle的上半身是Atlas的躯干，还是一个全新设计的躯干？机器人是电动的还是使用液压驱动？

马克·雷波特：是的，它使用的是Atlas的躯干，手臂也用的是Atlas的改装版本。驱动方面，我们使用电动（电池），但是电动和液压驱动都有。

IEEE Spectrum：波士顿动力一直以来研发的是腿式机器人，这次搞轮式，你们感觉怎么样？

马克·雷波特：轮子是很伟大的发明。但轮子只能在平坦的地面上工作得很好，而腿可以去到任何地方。通过结合轮子和腿，Handle兼具了轮式机器人和腿式机器人的优势。

事实上轮式机器人之所以较快的出现在商用上，是因为大多数商用场景地面平坦，机器人可以轻松达到更高的速度和更好的稳定性。但代价是为此丧失了跨越障碍的能力。

然而，波士顿动力却用实力告诉各位，如果给机器人的腿装上轮子，不仅能来去如风，还能妥妥的越过障碍。所以不是你的机器人不行，是你的工程师还不够diao.

既然，这种足+轮子的“哪吒”版机器人这么厉害，为什么各大机器人公司却做不出来呢？很大程度是因为这件事在工程上太难了。

难点一：柔顺性控制

Handle的足部关节不论是在面临突然出现的斜坡还是承受落地的冲击时都表现出了很好的柔性，这对系统稳定性非常关键。如果关节使用简单的位置或速度控制，机器人在高速遇到未知的接触面时会瞬时产生巨大的冲击力，不仅难以控制，甚至容易损坏机器人本体。



Handle下楼梯时如履平地

难点二：大扰动下的非线性系统控制

为了承受如此大的外部扰动，用传统的简单线性倒立摆建模是显然不够的，机器人需要动用全身所有的关节，所有的运动资源来维持平衡。

比如我们可以注意到Handle转弯时并不是简单地让轮子差速转动，而是像溜旱冰一样加入了身体的自然侧倾：



再比如跳上桌子瞬时的手臂摆动。



这样的一个机器人的全身动力学模型是高度非线性的，其实时平衡控制解算本身就是一个挑战，更不要说需要考虑在大量扰动/不确定性存在时的稳定性了。

难点三：混合控制（Hybrid control）

要知道只用一个连续模型是没法做”跳跃“这种动作的。机器人同时拥有连续（关节角度、速度）和离散（与地面的接触面位置、数目）的状态，这属于混合控制“Hybrid Control”的研究范畴。甚至视频中“双手举起100磅重物”这个任务，也需要把重物作为模型的一部分来做控制，因为如果只把重物当扰动的话，这扰动也太大了。



Hybrid Control这个学科本身就还不是很成熟（相对于其他多数控制理论而言），其前十几年的研究和成果都集中在混合线性系统上。对于Handle这种非线性混合系统，学术界的成果很多都还停留在“证明一个稳定的控制器是否存在”这个层面，近些年也有了很多“给定一个控制器，分析其稳定性”的方法。但对于“给定问题如何设计一个控制器”，还并不是很完善。

难点四：硬件本身

回到机器人Handle本身。官方介绍它身高1.98米，纵跳1.2m。这特么是乔丹的身高+内特.罗宾逊的弹跳啊。Handle的轮子可以以14Km/h的速度前进。整个机器人由电池供能，驱动电机和液压泵。无需外接设备，一次充电续航24千米。

做为一名儿童编程教育工作者看到这些想说什么呢？ 任重而道远，比特顽童编程实验室BITKID LAB加油！

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