相关新闻 美国猎豹机器人现已能够奔跑越过障碍 MIT 猎豹机器人算法有多复杂？中国是否能研发出这种机器人？ 知乎用户，四足机器人领域博士生 楼主问的是 MIT Cheetah（猎豹）的算法有多复杂，我想说的是它的算法还真不算复杂，至少目前还不复杂，但是，国内依旧做不出来，所以原因还不在算法上。 题主关心的 MIT Cheetah，是 MIT Biomimetics Robotcs Lab 副教授 Sangbae Kim 团队设计和制作的电驱动四足机器人，其基本思想是模仿真实的猎豹，实现高速奔跑，因此该团队目前的工作主要在如何提高 MIT Cheetah 的奔跑速度上。 @贾子枫 总结的 MIT Cheetah 四个主要设计理念（知乎日报注：见下面的回答）都是为提高该机器人的奔跑速度以及奔跑时间（能量效率）服务的。为实现快速奔跑并提高能量利用效率，MIT Cheetah 的设计者主要做了三方面的重要工作：1）机械结构设计；2）执行机构设计）；3）控制器设计。就目前的情况来看，机械结构以及执行机构的设计应该说是该机器人能够成功的关键，但是在机械结构与执行机构定型后，控制器的设计将会越来越重要。下面针对这三点分别谈谈我自己的认识。 1）机械结构设计 MIT Cheetah 的机械结构是从动物中获得的灵感。 Kim 在 CMU 的一次讲座中提到他在一个视频中看到一只细腿的鹿在欢快的跳跃，他就在想一只鹿那么细的腿能承受那么重的身体重量进行跳跃且腿不会折断，那为何我们设计的机器人虽然采用强度比骨头大很多倍的铝合金、钢、甚至碳纤维等材料却反而不能承受大负载实现跳跃呢？于是经过其对很多生物足部的研究，发现很多的前足都采用肌腱加腕骨的模式，如下图： 于是他认为，肌腱结构能够减小冲击力，相当于增加了腿部的强度。他通过有限元分析验证了自己的结论，于是设计了类似的肌腱结构足部，并在两个肌腱之间加入了弹簧以增加一定的柔顺性： 以上是其足端结构的来源。正如前面所说，设计 MIT Cheetah 的目的是实现快速奔跑，而奔跑由腿的快速摆动实现。为提高摆动速度，需要尽量减小腿部的惯量，因此，Kim 将腿部主要的惯量来源——执行机构（电机）全部统一放置于髋关节处，并设计了低质量腿部关节，采用类似肌腱的杆来传递能量，带动膝关节和髋关节。经过该设计，单腿的重心被控制在了执行机构所在圆以内，极大的降低了腿摆动时的惯性，重心位置如下图 CoM 所示： 另外，其采用的脊椎结构，也是通过观察四足哺乳动物得到的启发。该团队设计了差分的脊椎驱动系统，想法很巧妙。当 trot（对角步）步态行走时，两条前腿的运动刚好相差 180 度相位，此时脊椎保持不动，而当 galloping（飞驰）步态行走时，两条前腿同相位，则在前腿同时后摆时带动脊椎弯曲，达到跟猎豹奔跑时的脊椎弯曲一致的效果。这样做的好处是什么呢？节能。飞驰步态时两条前腿同时触地和离地，在奔跑过程中，前腿会有一个从向后摆动然后减速然后加速向前摆动的过程，这时，脊椎的参与使得原本在前腿后摆减速过程中损失的能量存储在了脊椎的弹性势能里面，在前腿向前摆动时再释放出来转化为前腿的动能，实现了能量的回收利用。 最后，MIT Cheetah 其实还设计了尾部结构，其灵感来自于猎豹追逐猎物时，在变换方向过程中，尾巴在保持猎豹奔跑稳定性方面起到的至关重要的作用，如下图： MIT Cheetah 团队也做了相关的实验，证明加入尾巴对侧向冲击具有抵抗作用，能够增强其侧向稳定性。如下图所示，在侧向用球击打 MIT Cheetah 时，其尾巴摆动提高了侧向稳定性。其实摆尾巴的原理很简单，就是角动量守恒。 2）执行机构设计 以上讲了其机械结构的特点，机械结构的优异性决定了其拥有高速奔跑的潜力，而执行机构的能力才是真正实现高速奔跑的大杀器。电机设计这方面在下不懂，这里列出其单电机的基本参数： 第一版本的 Cheetah 使用的是商业级电机 Emoteq HT-5001，参数为： 重量：1.3Kg 最大扭矩：10Nm 而该电机不符合他们的峰值扭矩要求，于是他们自己随意设计了一个……他们自己设计的电机参数为： 重量：1.067Kg 最大扭矩：30Nm 为啥他们随意设计了一个就比商用级的电机强这么多？！！真的是随意设计的么......显然，随意二字是我自己加的。 第二版 Cheetah 用的应该就是这个电机了。 执行器部分的结构如下图所示，一个模块内包含了单腿所需要的两个电机转子和定子以及减速齿轮，还包含了必要的光电编码器。每条腿需要一个这样的模块。 3）控制器设计 最后说说控制器设计。这方面从其发表的论文来看其实没有什么新颖的东西，跟 BigDog 的方法也差不多，甚至还更简单。因为目前其主要关注奔跑速度，对地形的适应能力还没有做过多的扩充，也就在第二版视频展现了其越障能力，而越障能力其实已经在第一版就实现了。本来就是研究的 galloping 飞驰步态，因此实现跳跃并不难。第二版也就是加入了一个激光测距传感器，检测前方的障碍物高度，然后实施跳跃动作。如下图： 当然，要想实现跳跃也不是很简单，需要计算起跳地点，落地地点以及达到落地地点所需要的力，还包括步态的设计，但是这样的功能 BigDog 已经实现了，所以也就不算新颖了。 其他一些比较重要的内容也顺便提一下，一是 trot 到 galloping 步态的切换，采用的是 CPG。为提高奔跑稳定性，采用了 swing leg retracting（摆动腿回缩）技术。为实现触地柔顺性，采用了阻抗控制技术。这些都不具体说了。有兴趣的参见参考文献中的论文吧。 总结： 从以上三点，我们很容易得出结论，有时候不一定要有多么深奥的算法，多么复杂的控制结构，但是，一定要有一个好的平台，好的机械结构，我们经常自己调侃自己，要是结构做得好，我们自己的 BigDog 早就能跑了！哈哈。 参考文献： [1] D. J. Hyun, S. Seok, J. Lee et al. High speed trot-running: Implementation of a hierarchical controller using proprioceptive impedance control on the MIT Cheetah[J]. The International Journal of Robotics Research, 2014, 33(11): 1417-1445. [2] S. Seok, A. Wang, D. Otten et al. Actuator design for high force proprioceptive control in fast legged locomotion[C]// Intelligent Robots and Systems (IROS), 2012 IEEE/RSJ International Conference on. 2012: 1970-1975. [3] H.-W. Park, S. Kim, Variable speed galloping control using vertical impulse modulation for quadruped robots: application to MIT cheetah robot, 2013. [4] S. Seok, A. Wang, M. Y. Chuah et al. Design principles for highly efficient quadrupeds and implementation on the mit cheetah robot[C]// Robotics and Automation (ICRA), 2013 IEEE International Conference on. 2013: 3307-3312. [5] J. Lee, D. J. Hyun, J. Ahn et al. On the dynamics of a quadruped robot model with impedance control: Self-stabilizing high speed trot-running and period-doubling bifurcations[C]// Intelligent Robots and Systems (IROS 2014), 2014 IEEE/RSJ International Conference on. 2014: 4907-4913. [6] H.-W. Park, S. Kim. Quadrupedal galloping control for a wide range of speed via vertical impulse scaling[J]. Bioinspiration & biomimetics, 2015, 10(2): 025003. [7] G. Folkertsma, S. Kim, S. Stramigioli. Parallel stiffness in a bounding quadruped with flexible spine[C]// Intelligent Robots and Systems (IROS), 2012 IEEE/RSJ International Conference on. 2012: 2210-2215. 贾子枫，耕读传家。在成为机器人学家的路上 我现在不做两足（Bipedal）也不做四足（Quadrupedal），只是比较关心，所以怕答错前沿的东西给大家造成误导。不过似乎事与愿违…… 首先，我们要分清楚 MIT Cheetah 和 Boston Dynamics 的 cheetah。虽然评论里大家也是各执一词，但他们不是一家，甚至血统都没有（可能我还没八出那么深）。这两个机器人一个电机驱动一个液压驱动，本质上还是差挺远的。 关于四足，Boston Dynamics 的 Wild Cat 是最牛，没有之一。（去年的答案了，谷歌收购了 Boston Dynamics，该公司的机器人在业界属于什么水平？ - 贾子枫的回答）Boston Dynamics 官网上的产品就只有 9 个，比科沃斯的产品线少多了，很容易了解每个机器人是什么功能。其中 Cheetah，就是为了跑得快设计的，但是速度 28.3mph 的视频里面侧面是有连杆支撑的。 这也挺正常的，只考虑前向（Sagittal）不考虑左右（Lateral），将问题简化了。BD Cheetah 的动力不是整合的，是放在外面的。Wild Cat 是 Cheetah 的换代产品，全部整合在一起。 然后关于 Boston Dynamics 的四足技术问题，大家可以看 @何玉东的答案。 国内有技术上可以与 Boston Dynamics 相匹敌的实验室吗？ - 科技 MIT 的金三棒（Sangbae Kim）是机械工程系的 Biomimetics 实验室，主要是研究仿生机器人，也就是说主要是做设计的。（实验室主页 Home | MIT Biomimetics Robotics Lab ）MIT Cheetah 的四个主要设计理念就是 1、强扭矩电机 2、能量可再生 3、低阻抗传导 4、低惯量的腿 强扭矩电机和 Schaft 有点相似。其实腿的结构我觉得也挺关键的。然后算法的话，四足的机器人大都是柔顺控制和阻抗控制（Impedance Control 和 Compliant Control，虽然我也不懂），步态总是离不开中枢模式发生器（CPG，Central Pattern Generator，是来自脑科学的词汇），难点是空中飞的时候（Flying trot）。最新的视频 MIT Cheetah 2 已经可以跳跃障碍了，还是进步很快的。至于怎么能做出很牛的电机，不清楚了，洗衣机厂商的电机技术好像都比较牛，不知道类似不……大狗 2007 年的视频虽然没有跳障碍，但是可以跳过一个禁止区域。 一直提及的一个机器人就是意大利的 HyQ，ICRA2015 的宣传片里也放了 HyQ。新的 HyQ2Max 快要出来了，大家也可以关注一下。 以下与此问题更不相关。基本是八卦。 然后大家很喜欢问的问题，比如： 国内有技术上可以与 Boston Dynamics 相匹敌的实验室吗？ MIT 猎豹机器人算法有多复杂？为什么国内不能研发出这种机器人？ （我猜会有人问到）Darpa Robotics Challenge 为什么没有中国的队伍？ 这些都没那么好回答的，各种原因错综复杂，简单的说就是咱们不行。美国是真的有技术积累的，给大家看一个最近更新还是 1999 年的主页 http://www.ai.mit.edu/projects/leglab/people/people-main.html 是很多人提到的原 MIT Leg Laboratory 的主页。这个实验室属于计算机与人工智能大实验室（CSAIL）。我 06 年看这个页面的时候没什么感觉，如今再看，一个一个熟悉的名字好像在看双足四足机器人科学家的拉玛西亚训练营（知乎日报注：拉玛西亚是知名足球俱乐部巴萨的青训营）的感觉。 挑了我知道的人写，基本按网页上的顺序。 首先是实验室创始人，也是 Boston Dynamics 的创始人： Marc Raibert founded the Leg Laboratory in 1980 and directed it through 1995. The Lab was originated at CMU when Marc was Associate Professor in Computer Science and the Robotics Institute, and it moved to MIT in 1986 when Marc became Professor of Electrical Engineering and Computer Science and a member of the Artificial Intelligence Lab. He is now president of the company he co-founded, Boston Dynamics, Inc. 06 年我还不知道 Boston Dynamics... 当时的实验室两个老大(Principal Invetigators)： Gill Pratt，当年还是助理教授。 出身 EECS，这几年做的事情就是组织了整个 Darpa Robotics Challenge。是 Serial Elastic Actuator 的发明者。。 Hugh Herr，多谢评论里 贺磊 的信息，我就给大家一个 Ted Talk 的链接吧。现在是 Media Lab 里 Biomechatronics 组的老大，一直在做最牛的人工假肢。及其励志的一个人！ Hugh Herr: The new bionics that let us run, climb and dance 当时的研究生： Jerry Pratt，也姓 Pratt，不知道和 Gill Pratt 有没有什么关系。今年 DRC 亚军队伍 IHMC 队伍的核心。 Chee-Meng Chew，2010 年 RoboCup 第一次成人组比赛冠军领队。 Russ Tedrake，留在了 MIT，今年 DRC MIT 队伍的领队。他的组应该算是原来 MIT Leg Laboratory 的延续，现在叫 Robot Locomotion Group。如果说 Boston Dynamics 和 MIT 有关的话也应该是这个实验室。 当时的研究人员： Jessica Hodgins，迪斯尼在 CMU 实验室的老大。她老公是 Chris Atkeson，今年 DRC 队伍 WPI-CMU 的 CMU 方面 co-PI。Chris 的学生 Benjamin 毕业后就去了 Boston Dynamics。Benjamin 的博士课题基本自己做了一个 Atlas.. Zexiang Li。李泽湘。虽然我们现在没有四足做的非常好的大学和企业，但却有了大疆，固高，李群，和松山湖国际机器人产业基地。 查看知乎原文
