專注研究雙腿的俄機器人實驗室：研發靈敏的仿生雙腿，像鴕鳥一樣奔跑和閃躲

專注研究雙腿的俄機器人實驗室：研發靈敏的仿生雙腿，像鴕鳥一樣奔跑和閃躲

俄勒岡州立大學動力機器人實驗室的 Jonathan Hurst 領導了一個研究小組，試圖摸索出腿部運動的基本原理，并將他們們的發現應用到雙足機器人身上。

談起當今最先進的研究成果以 Atlas 為代表的先進人形機器人已經可以完成在平坦和傾斜的地面上行走、上下樓梯、崎嶇地形越野甚至后空翻等高難度動作。

圖丨波士頓動力的 Atlas 機器人表現令人驚恐

但盡管取得了這些進步，雙足機器人仍然存在著最為致命的缺點——那就是它們始終無法在敏捷性與運動效率上與人類或動物相匹敵。

那么制約雙足機器人發展的關鍵到底是什么呢？或許大多數人的第一反應會聯想到技術的不足：我們當前的馬達電機動力不足，制造機器人的材料不夠堅硬，處理機器人程序運行的計算機不夠快……但比較出人意料的是，這些技術上的顧慮并不足以阻礙機器人的發展，真正的限制因素反而是人類對腿部運動如何工作的基本理解還尚顯不足。

因此，俄勒岡州立大學動力機器人實驗室的 Jonathan Hurst 領導了一個研究小組，試圖摸索出腿部運動的基本原理，并將他們們的發現應用到雙足機器人身上。

圖丨Jonathan Hurst（來源：Oregon State University）

目前，Jonathan Hurst 在從事科研的同時也投入到了機器人創業的浪潮中，他創辦了敏捷機器人公司（Agility Robotics）并擔任首席技術官，致力于探索雙足機器人的商業用途。

在 2017 年，Jonathan Hurst 的公司推出了雙足平臺 Cassie，之后還有加裝手臂的 Digit 機器人。而在應用場景上，Jonathan Hurst 首先考慮到的是利用這類雙足機器人對老人和體弱者進行家庭護理，參與火災或地震災害救援以及遞送包裹。當然，稍顯科幻的機械外骨骼也將會使此類雙足機器人的熱門應用方向。

圖丨 敏捷機器人公司的機器人 Cassie (左) 和 Digit（右）(來源：Agility Robotics)

靈感來于鳥類奔跑

那么，Jonathan Hurst 的是如何獲取對腿部運動原理的研究靈感的呢？原來，他和同事們在與倫敦皇家獸醫學院合作的過程中對實驗室里的鳥類的行走和奔跑進行了長時間的觀察，他們發現鴕鳥、火雞、珍珠雞和鵪鶉這種飛行能力弱的鳥類反而更擅長于奔跑。

例如，在一個實驗中，一只珍珠雞沿著跑道跑，這時它踩到了一個用一張薄紙遮住的坑上時，這只鳥并沒有意識到它將要踏入一個大約半條腿深的坑洞中。而就在這時，神奇的事情發生了：這只珍珠雞并沒有調整它跑步的節奏，它的腿自動伸展來適應坑洞下陷的深度，十分類似于摩托車的減震器或坦克的懸掛系統。更神奇的是，在這一過程中，鳥類的大腦并不需要對路況進行感知并對干擾作出反應，一切處理都是由腿部自行處理的。

圖丨珍珠雞（來源：Wikipedia）

這一發現為機器人設計者提供了一個重要的思路：如果你先制造出你的機器人，然后才試圖讓它變得敏捷，那么你很可能會失敗。而如果你的機器人可以像珍珠雞一樣，自身具有的靈活性主要來自于其身體固有的機械特性，或者具備機器人專家所說的被動動力學（passive dynamics）特性的話，那么成功的概率就會極大提高。但可惜的是，在大多數雙足機器人項目中，這一點都被忽視了。

當然，需要注意的是，雖然 Jonathan Hurst 的靈感來源于鳥類，但他們并不是就要亦步亦趨地復制鳥類腿部的形狀，或者人類腿部肌肉和骨骼的排列形態。恰恰相反，Jonathan Hurst 希望捕捉動物運動的物理學原理，并從中提取出一個研究人員能夠理解的數學模型，然后在計算機模擬中進行測試，最終通過真實的機器人來實現。

順著這個思路，研究人員們提出了一個最簡單的數學模型：由一個質點 (代表上身) 連接到一對理想的彈簧（代表腿），所以這個模型也被稱為“彈簧—質點模型”（spring-mass model）。雖然這是一個類似于一個簡筆畫的簡化模型，沒有考慮到關節或者腳在離散的點上不接觸地面的情況。但該模型在模擬中依舊可以產生幾乎所有在人和動物身上觀察到的行走和奔跑的步態。

圖丨盡管 Atrias 的腿看起來不像人的腿，但是這個機器人是第一個展示人類行走步態動力學的機器（來源：Oregon State University）

為了在機器上測試“彈簧—質點模型”，Jonathan Hurst 在俄勒岡州立大學的團隊與卡內基梅隆大學的 Hartmut Geyer 和密歇根大學的 Jessy Grizzle 合作開發了 ATRIAS 雙足機器人——寓意“假設機器人是一個球體”（Assume The Robot Is A Sphere）。

他們用輕質的碳纖維棒制作了機器人的每條腿，并將其排列成一個平行四邊形的結構，這個結構被稱為平面四桿機構（four-bar linkage）。這種結構好處是最小化了腿的質量和相關的慣性，使其最大程度上接近于“彈簧—質點模型”。此外，研究人員們還在機械腿的上部安裝了玻璃纖維彈簧，它代表了模型的“彈簧”部分，用以處理地面沖擊以及儲存機械能。

當然，研發過程也并非一帆風順。起初，ATRIAS 幾乎無法站立，Jonathan Hurst 和同事們只好用上方懸掛的纜繩的方式來牽引它。但是當研究人員們改進了可以跟蹤機器人身體速度和傾斜的控制器后，ATRIAS 開始邁出了第一步，緊接著就可以在實驗室里踱步了。

那之后，ATRIAS 又學會了在被干擾的狀態中恢復過來。例如，在一個實驗中，Jonathan Hurst 的學生向 ATRIAS 扔躲避球，研發人員們還把 ATRIAS 帶到學校的足球場，將它的最高時速提高到 7.6 公里/小時，然后很快讓它停下來——事實證明，在這些情景中機器人都表現的不錯。

雖然靈活性很重要，但 ATRIAS 的能源節約也很關鍵。研發人員們借助一個叫做單位距離能耗 (cost of transport，COT) 的參數來考察這一點。該指標的定義為能量消耗與重量乘以速度的比率，用來比較動物和機器運動的能量效率。

舉例來看，一個步行的人的 COT 值為 0.2，而一些估計數據顯示，傳統的仿人形機器人的 COT 值較高，在 2 到 3 之間。而 ATRIAS 在行走模式下的 COT 為 1.13，證明了該機器人有較明顯的效率優勢。事實上，一些用于遙控汽車的那種小型鋰聚合物電池就可以讓 ATRIAS 運行長達一個小時。

研究人員們還測量了機器人對地面施加的力。他們把重達 72.5 公斤的 ATRIAS 放在力板上，通過測量地面反作用力來評估機器人的步態，當 ATRIAS 行走時，研究人員們記錄了力的數據。然后他們用 Jonathan Hurst 的一個學生代替 ATRIAS，記錄他的腳步。隨著時間內的推移，令人歡欣鼓舞的結果出現了——這兩個數據集的結果十分相似，而據我們所知，這也是迄今為止對人類步態動力學最真實的機器人呈現。

最終，研究結果證實，一個簡單的“彈簧—質點模型”系統嵌入到機器人中，可以使研究人員們所尋求的如效率、魯棒性和靈活性等許多特性都達到理想數值，并且還可以發掘出腿部運動的核心秘密。于是，也便有了此前提到的敏捷機器人公司的 Cassie 雙足平臺。

圖丨為了靈活地穿越復雜的地形，Cassie 使用五個馬達，每條腿上裝有兩個彈簧（來源：Dan Saelinger）

小試牛刀的 Cassie 雙足平臺

和 ATRIAS 一樣。Jonathan Hurst 的團隊優化了 Cassie 設計的每一個方面，目標就是打造一個堅固耐用的機器人。在具體參數上，Cassie 的體重只有 31 公斤，僅為 ATRIAS 的一半，而且由鋁和碳纖維制成的軀干以及由一種強力塑料制成的保護殼使得它更加結實。

事實上，遵循于試驗的結果，Cassie 的腿十分類似于鴕鳥的腿部，而為了達到商業化的要求，Jonathan Hurst 更是為 Cassie 設定了一個很高的標準：能夠在沒有安全繩索的情況下穿越樹林，走過崎嶇的地形，靠電池連續工作幾個小時。

需要注意的是，盡管 Cassie 建立在與 ATRIAS 相同的開發概念上，但 Jonathan Hurst 的團隊還是決定給它一個全新的支架。研究人員在 ATRIAS 的每條腿上都使用了兩個馬達來驅動平面四桿機構，這種安排的好處是盡可能地減少了它們的質量，然而為此做出的妥協卻是在步進循環中，一個電機在執行剎車功能時會對另一個電機產生影響，進而有大量不必要的能源浪費。對此，在 Cassie 身上，研究人員開發出了替代腿結構來消除這種影響。這種新的設計使電機更小，從而使機器人甚至比 ATRIAS 更有效率。

為了實現靈活性，Cassie 的每條腿都有五個運動軸，每個軸由一個馬達驅動。臀部有三個運動軸，十分類似于人類，這使得 Cassie 的腿向任何方向擺動成為可能。另外，機器人的膝蓋和腳關節也有兩個電機提供動力。Cassie 的脛骨和踝關節具有額外的運動軸，這些運動軸是被動的，不是由電機控制，而是連接到彈簧上，彈簧幫助雙足機器人在原本無法很好處理的復雜地形中移動。

Cassie 的腿需要一個比 ATRIAS 更復雜的低級控制器。對于 ATRIAS，延長一條腿只需要利用兩個發動機施加相等和相反的力矩。而對于 Cassie 的腿，向特定方向移動腳需要計算每個電機不同的力矩。要做到這一點，控制器需要考慮到腿的慣性，以及電機和變速箱的動力學屬性。