专注研究双腿的俄机器人实验室：研发灵敏的仿生双腿，像鸵鸟一样奔跑和闪躲
专注研究双腿的俄机器人实验室：研发灵敏的仿生双腿，像鸵鸟一样奔跑和闪躲
俄勒冈州立大学动力机器人实验室的 Jonathan Hurst 领导了一个研究小组，试图摸索出腿部运动的基本原理，并将他们们的发现应用到双足机器人身上。
谈起当今最先进的研究成果以 Atlas 为代表的先进人形机器人已经可以完成在平坦和倾斜的地面上行走、上下楼梯、崎岖地形越野甚至后空翻等高难度动作。
图丨波士顿动力的 Atlas 机器人表现令人惊恐
但尽管取得了这些进步，双足机器人仍然存在着最为致命的缺点——那就是它们始终无法在敏捷性与运动效率上与人类或动物相匹敌。
那么制约双足机器人发展的关键到底是什么呢？或许大多数人的第一反应会联想到技术的不足：我们当前的马达电机动力不足，制造机器人的材料不够坚硬，处理机器人程序运行的计算机不够快……但比较出人意料的是，这些技术上的顾虑并不足以阻碍机器人的发展，真正的限制因素反而是人类对腿部运动如何工作的基本理解还尚显不足。
因此，俄勒冈州立大学动力机器人实验室的 Jonathan Hurst 领导了一个研究小组，试图摸索出腿部运动的基本原理，并将他们们的发现应用到双足机器人身上。
图丨Jonathan Hurst（来源：Oregon State University）
目前，Jonathan Hurst 在从事科研的同时也投入到了机器人创业的浪潮中，他创办了敏捷机器人公司（Agility Robotics）并担任首席技术官，致力于探索双足机器人的商业用途。
在 2017 年，Jonathan Hurst 的公司推出了双足平台 Cassie，之后还有加装手臂的 Digit 机器人。而在应用场景上，Jonathan Hurst 首先考虑到的是利用这类双足机器人对老人和体弱者进行家庭护理，参与火灾或地震灾害救援以及递送包裹。当然，稍显科幻的机械外骨骼也将会使此类双足机器人的热门应用方向。
图丨 敏捷机器人公司的机器人 Cassie (左) 和 Digit（右）(来源：Agility Robotics)
灵感来于鸟类奔跑
那么，Jonathan Hurst 的是如何获取对腿部运动原理的研究灵感的呢？原来，他和同事们在与伦敦皇家兽医学院合作的过程中对实验室里的鸟类的行走和奔跑进行了长时间的观察，他们发现鸵鸟、火鸡、珍珠鸡和鹌鹑这种飞行能力弱的鸟类反而更擅长于奔跑。
例如，在一个实验中，一只珍珠鸡沿着跑道跑，这时它踩到了一个用一张薄纸遮住的坑上时，这只鸟并没有意识到它将要踏入一个大约半条腿深的坑洞中。而就在这时，神奇的事情发生了：这只珍珠鸡并没有调整它跑步的节奏，它的腿自动伸展来适应坑洞下陷的深度，十分类似于摩托车的减震器或坦克的悬挂系统。更神奇的是，在这一过程中，鸟类的大脑并不需要对路况进行感知并对干扰作出反应，一切处理都是由腿部自行处理的。
图丨珍珠鸡（来源：Wikipedia）
这一发现为机器人设计者提供了一个重要的思路：如果你先制造出你的机器人，然后才试图让它变得敏捷，那么你很可能会失败。而如果你的机器人可以像珍珠鸡一样，自身具有的灵活性主要来自于其身体固有的机械特性，或者具备机器人专家所说的被动动力学（passive dynamics）特性的话，那么成功的概率就会极大提高。但可惜的是，在大多数双足机器人项目中，这一点都被忽视了。
当然，需要注意的是，虽然 Jonathan Hurst 的灵感来源于鸟类，但他们并不是就要亦步亦趋地复制鸟类腿部的形状，或者人类腿部肌肉和骨骼的排列形态。恰恰相反，Jonathan Hurst 希望捕捉动物运动的物理学原理，并从中提取出一个研究人员能够理解的数学模型，然后在计算机模拟中进行测试，最终通过真实的机器人来实现。
顺着这个思路，研究人员们提出了一个最简单的数学模型：由一个质点 (代表上身) 连接到一对理想的弹簧（代表腿），所以这个模型也被称为“弹簧—质点模型”（spring-mass model）。虽然这是一个类似于一个简笔画的简化模型，没有考虑到关节或者脚在离散的点上不接触地面的情况。但该模型在模拟中依旧可以产生几乎所有在人和动物身上观察到的行走和奔跑的步态。
图丨尽管 Atrias 的腿看起来不像人的腿，但是这个机器人是第一个展示人类行走步态动力学的机器（来源：Oregon State University）
为了在机器上测试“弹簧—质点模型”，Jonathan Hurst 在俄勒冈州立大学的团队与卡内基梅隆大学的 Hartmut Geyer 和密歇根大学的 Jessy Grizzle 合作开发了 ATRIAS 双足机器人——寓意“假设机器人是一个球体”（Assume The Robot Is A Sphere）。
他们用轻质的碳纤维棒制作了机器人的每条腿，并将其排列成一个平行四边形的结构，这个结构被称为平面四杆机构（four-bar linkage）。这种结构好处是最小化了腿的质量和相关的惯性，使其最大程度上接近于“弹簧—质点模型”。此外，研究人员们还在机械腿的上部安装了玻璃纤维弹簧，它代表了模型的“弹簧”部分，用以处理地面冲击以及储存机械能。
当然，研发过程也并非一帆风顺。起初，ATRIAS 几乎无法站立，Jonathan Hurst 和同事们只好用上方悬挂的缆绳的方式来牵引它。但是当研究人员们改进了可以跟踪机器人身体速度和倾斜的控制器后，ATRIAS 开始迈出了第一步，紧接着就可以在实验室里踱步了。
那之后，ATRIAS 又学会了在被干扰的状态中恢复过来。例如，在一个实验中，Jonathan Hurst 的学生向 ATRIAS 扔躲避球，研发人员们还把 ATRIAS 带到学校的足球场，将它的最高时速提高到 7.6 公里/小时，然后很快让它停下来——事实证明，在这些情景中机器人都表现的不错。
虽然灵活性很重要，但 ATRIAS 的能源节约也很关键。研发人员们借助一个叫做单位距离能耗 (cost of transport，COT) 的参数来考察这一点。该指标的定义为能量消耗与重量乘以速度的比率，用来比较动物和机器运动的能量效率。
举例来看，一个步行的人的 COT 值为 0.2，而一些估计数据显示，传统的仿人形机器人的 COT 值较高，在 2 到 3 之间。而 ATRIAS 在行走模式下的 COT 为 1.13，证明了该机器人有较明显的效率优势。事实上，一些用于遥控汽车的那种小型锂聚合物电池就可以让 ATRIAS 运行长达一个小时。
研究人员们还测量了机器人对地面施加的力。他们把重达 72.5 公斤的 ATRIAS 放在力板上，通过测量地面反作用力来评估机器人的步态，当 ATRIAS 行走时，研究人员们记录了力的数据。然后他们用 Jonathan Hurst 的一个学生代替 ATRIAS，记录他的脚步。随着时间内的推移，令人欢欣鼓舞的结果出现了——这两个数据集的结果十分相似，而据我们所知，这也是迄今为止对人类步态动力学最真实的机器人呈现。
最终，研究结果证实，一个简单的“弹簧—质点模型”系统嵌入到机器人中，可以使研究人员们所寻求的如效率、鲁棒性和灵活性等许多特性都达到理想数值，并且还可以发掘出腿部运动的核心秘密。于是，也便有了此前提到的敏捷机器人公司的 Cassie 双足平台。
图丨为了灵活地穿越复杂的地形，Cassie 使用五个马达，每条腿上装有两个弹簧（来源：Dan Saelinger）
小试牛刀的 Cassie 双足平台
和 ATRIAS 一样。Jonathan Hurst 的团队优化了 Cassie 设计的每一个方面，目标就是打造一个坚固耐用的机器人。在具体参数上，Cassie 的体重只有 31 公斤，仅为 ATRIAS 的一半，而且由铝和碳纤维制成的躯干以及由一种强力塑料制成的保护壳使得它更加结实。
事实上，遵循于试验的结果，Cassie 的腿十分类似于鸵鸟的腿部，而为了达到商业化的要求，Jonathan Hurst 更是为 Cassie 设定了一个很高的标准：能够在没有安全绳索的情况下穿越树林，走过崎岖的地形，靠电池连续工作几个小时。
需要注意的是，尽管 Cassie 建立在与 ATRIAS 相同的开发概念上，但 Jonathan Hurst 的团队还是决定给它一个全新的支架。研究人员在 ATRIAS 的每条腿上都使用了两个马达来驱动平面四杆机构，这种安排的好处是尽可能地减少了它们的质量，然而为此做出的妥协却是在步进循环中，一个电机在执行刹车功能时会对另一个电机产生影响，进而有大量不必要的能源浪费。对此，在 Cassie 身上，研究人员开发出了替代腿结构来消除这种影响。这种新的设计使电机更小，从而使机器人甚至比 ATRIAS 更有效率。
为了实现灵活性，Cassie 的每条腿都有五个运动轴，每个轴由一个马达驱动。臀部有三个运动轴，十分类似于人类，这使得 Cassie 的腿向任何方向摆动成为可能。另外，机器人的膝盖和脚关节也有两个电机提供动力。Cassie 的胫骨和踝关节具有额外的运动轴，这些运动轴是被动的，不是由电机控制，而是连接到弹簧上，弹簧帮助双足机器人在原本无法很好处理的复杂地形中移动。
Cassie 的腿需要一个比 ATRIAS 更复杂的低级控制器。对于 ATRIAS，延长一条腿只需要利用两个发动机施加相等和相反的力矩。而对于 Cassie 的腿，向特定方向移动脚需要计算每个电机不同的力矩。要做到这一点，控制器需要考虑到腿的惯性，以及电机和变速箱的动力学属性。