Boston Dynamics 机器人详解以及中国的四足机器人

BostonDynamics做了不少的机器人，有两足的，有四足的，国人每次看都一片惊叹，其实中国国内早在...



Boston Dynamics 做了不少的机器人，有两足的，有四足的，国人每次看都一片惊叹，其实中国国内早在好几年前久已经有不少四足机器人了。

BDI于2008年发布了大狗的视频，引起了国内外的广泛关注，可以说是一炮而红。其公司老板以及项目经理是原MIT Leg Lab的大牛Marc Raibert。这个人在80年代发表的论文基本奠定了BigDog的技术基础。

从技术角度看，BigDog的底层控制技术并不能算非常的高级。BigDog项目组曾经来我们学校进行过学术交流，从其公开的技术资料看，其底层控制主要包括：

1）液压伺服控制；

2）步态曲线生成

3）主被动柔顺性控制；



下面就我了解的内容简单说一下上面三点。

首先是液压伺服控制。BigDog给看视频的观众带来的第一个震撼效果或许是它的协调性和适应性，因为毕竟目前机器人能像动物一样行走在各种路况下在这之前确实令人难以想象。但是，作为研究人员，看到BigDog我的第一个疑问是：我靠，这得多大的驱动能力才能带得动这么大的负载？而这个问题的答案就是液压伺服控制。在这之前，几乎所有的机器人都是由电机驱动的，因为电机驱动易于实现，不需要考虑油源、油路等问题，接上电线就能转。但是，电机驱动的问题就是功率体积比太小。也就是说，同样大小的驱动机构，以电机也液压缸为例，电机的输出功率相比液压缸而言非常的小，因此，要带动同样100kg的负载，液压缸可能只需要一个铅笔盒大小，而采用电机的话或许已经快跟BigDog的躯干一样大了，所以，采用液压缸作为执行机构是增大负载能力的关键。由于之前没有人想到将液压缸用在机器人上，因此BigDog一出，连我们导师都显得有一些遗憾，他说，我们搞了这么久的液压，怎么就没有想到把液压用在机器人上呢？当然现在做还不算特别晚~~。由于液压伺服控制也算是老技术了，非常的成熟，因此这一点对于BDI或者国内的研究高校来说应该不是难点。下图是BigDog的液压系统详情。



其次是步态曲线的生成。相信看过视频的同学们都对BigDog被踢一脚这件事情记忆犹新。对BigDog侧面方向施加横向扰动，机器人仍旧能够保持平衡，这首先是一个顶层的姿态规划问题，留在后面讲，这里只说说底层的控制问题，也就是步态的问题。步态的问题可以说是BigDog里面的技术难点，因此BDI也从来没有透露过步态的任何细节。到底它采用的是何种步态曲线（摆线？贝塞尔？），是否使用了中枢模式发生器（CPG），如何解决自由度冗余等等问题目前我们都不知道答案，只能靠自己的理解在自己的平台上进行试验以看效果。这还只是正常行走时的步态，在不同路况下，不同外力扰动（比如被踢一脚）下，不同行走速度下如何进行步态的切换，切换成何种步态更加是难点中的难点。因此，在这个方面，可以说我们国内还没有任何一家机构做出的机器人能与之匹敌。



最后讲一讲主被动柔顺性控制。可能大家看到这个词根本不知道是啥意思，不过不要着急，听我解释。简单的将，机器人要走路是不是脚首先要着地啊？脚着地了是不是就会产生力？产生力了机器人是不是就会受到反作用力？如果反作用力太大了是不是机器人就走不稳啊？就这么简单。主被动柔顺控制的意思就是通过主动和被动的方式去减小接触力，以保证机器人的行走更加稳定。其中被动柔顺意思就是这个力的减小是被动的，无法调节，那么怎么个被动法呢？其实就是足端安装的弹簧。大家息怒，我也不想绕了一圈最后告诉大家那根破弹簧就是被动柔顺，实在是。。。。。这样不是显得高大上么~~哈哈。当然，这么说还是有好处的，可以帮助大家理解啥叫主动柔顺。主动柔顺通过上面的讲解，肯定大家也就知道了，不就是通过主动的方式去调节接触力么，相当于一根可以变刚度的弹簧。事实就是如此，可以简单的理解主动柔顺为可变刚度的弹簧，当然，只有弹簧我们就会发现问题，我就不展开了，反正我们最终将其等效为了可变的弹簧阻尼系统。因此，通过主动和被动的结合，整个机器人的腿就等价成了弹簧和阻尼，从而触地的过程吸收了接触力，使得机器人更加的稳定。那么这个技术难不难呢？答案是不难，因为我们目前已经实现了，但是又不简单，因为实现的还不是特别好。当然，观察仔细的同学可能能看出来BigDog的腿在触地的过程中会上下抖动一下，说明他们的主动柔顺也没有做到特别的完美，但是只要能保持上平台的稳定就已经足够了。



另外，底层技术除了控制方法以外，还包括机器人的架构问题，比如机械结构问题，传感器配置问题，能源问题，散热问题等等。可以说，一个四足机器人就是一项系统工程，其中的任何一项不合理或者不合格都将导致整体的失败。以大狗的发动机为例，它体积小质量轻功率还大，所以大家也知道了，对中国禁售~~~我们自己买到的发动机都五大三粗的，哎，让我哭会儿去。因此，这也是这个项目很难复制的关键所在。

对底层技术讲得有一点多，那是因为这些我都有所涉猎。机器人的上层技术我还没有搞到，因为底层还木有做好。。。。囧了~~~~。但是根据我的理解，顶层技术主要包括的内容是机器人的平衡控制（防滑，防倒等），地面估计（各种路况的获取），路径规划（找路），避障等等。每一项内容要实现都不容易，由于不太了解，就不讲了。

主要参考是2010年国家的863计划先进制造领域发布的“高性能四足仿生机器人”主体项目指南，共有五所高校参与，包括：

北京理工大学：



山东大学：



哈尔滨工业大学：



国防科技大学：



上海交通大学：



这五所高校均于2013年1月的国家地震紧急救援训练基地进行了行走实验，完成了砂石路、砾石路，上下坡路等地形的行走。视频就不贴了，反正效果不是很好，基本只是解决了有无问题，不过无论如何，小步快走还是可以走的，偶尔漏个油啊，发动机过热熄火啊等问题大家就别记在心上了。

(本文来源：知乎每日精选 )

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