国内有技术上可以与 Boston Dynamics 相匹敌的实验室吗？ 知乎用户，四足机器人领域博士生 先给出我的答案吧：没有 由于我自己是四足机器人领域，那么我就从四足机器人领域来说说这个公司的工作以及国内的现状吧。 说实话，我虽然自己是研究四足机器人的，但我知道 Boston Dynamics（BDI）也就从 2010 年开始，可能和大多数人一样，是看到了该公司发布的大狗（BigDog）[1] 四足机器人视频。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[2-4]。 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。 下面再说说题主关心的问题，国内做的怎么样？有没有能与之匹敌的实验室。这里，我将我知道的国内做 BigDog 的实验室研究生列出，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[5] ，包括 北京理工大学[6]； 山东大学[7]； 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。 当然，随后大家继续加油，继续完善，现在这里面做得比较好的应该是山大的机器人。另外，兵器 201 也加入了做大狗的行列，而且据说做得很好，已经能够被踹一脚不倒了，不过还没有机会去参观，有老师说带我们去，至今木有消息。。。。。 大概就这些吧。至于国外的其他四足机器人，已经有人回答了，不过值得一提的是意大利 IIT 做得 HyQ[8]，其柔顺性控制做得非常好，完全采用主动柔顺控制，摒弃了被动的弹簧，是唯一能够和 BigDog 媲美的四足机器人了。而且我感觉 BDI 也借鉴了 HyQ 的思路，因为从 BDI 最新的四足机器人 SPOT 可以发现，它也去除了足端的被动弹簧，使用完全主动柔顺控制，带来的好处是机器人的控制更加平稳，但是要求执行机构的响应更快了。 就说这些吧，自己没做好就看看别人做的解解馋了~~ 参考文献： [1] M. Raibert, K. Blankespoor, G. Nelson et al. Bigdog, the rough-terrain quadruped robot[C]// Proceedings of the 17th World Congress. 2008: 10823-10825. [2] M. H. Raibert, Legged robots that balance: MIT press Cambridge, MA, 1986. [3] M. H. Raibert. Legged robots[J]. Communications of the ACM, 1986, 29(6): 499-514. [4] M. H. Raibert. Running with symmetry[J]. The International journal of robotics research, 1986, 5(4): 3-19. [5] 王立鹏, 液压四足机器人驱动控制与步态规划研究[D], 北京理工大学, 2014. W. Lipeng. Research on Control and Gait Planning for a Hydraulic Quadruped Robot [D]. Beijing Institute of Technology, 2014. [6] G. Junyao, D. Xingguang, H. Qiang et al. The research of hydraulic quadruped bionic robot design[C]// Complex Medical Engineering (CME), 2013 ICME International Conference on. 2013: 620-625. [7] 柴汇, 孟健, 荣学文 et al. 高性能液压驱动四足机器人 SCalf 的设计与实现[J]. 机器人, 2014, 36(4): 385-391. [8] C. Semini. HyQ—Design and development of a hydraulically actuated quadruped robot[J]. PD Thesis, University of Genoa, Italy, 2010 查看知乎原文
