波士頓動力機(jī)器人的動態(tài)平衡專利揭秘

波士頓動力通過操作機(jī)器人的四肢部位讓其本身在表面上處于動態(tài)平衡，通過機(jī)器人可以動態(tài)的控制腿，使得反作用力允許機(jī)器人保持支撐整個身體的平衡，更加接近于真人的實際動作！

集微網(wǎng)消息，近日，一則波士頓動力機(jī)器人的對比視頻在微博上流傳。該視頻畫面分為兩部分，左邊是10年前波士頓動力機(jī)器人訓(xùn)練的畫面，右邊是10年后波士頓動力機(jī)器人訓(xùn)練的畫面。

10年前的波士頓動力機(jī)器人還需要通過懸掛繩索來在傳送帶上行走，而且還步履蹣跚。10年后的波士頓機(jī)器人已經(jīng)不需要輔助設(shè)備就可以輕松自如地完成各種即使是普通人也難以完成的精細(xì)活動和大肢體動作，無論是下腰、打滾、倒立乃至前空翻、后空翻都非常的穩(wěn)妥。

波士頓動力在機(jī)器人領(lǐng)域取得了非凡的成就，而可以使得機(jī)器人如此靈活甚至在某些程度上超越了大部分普通人的原因，離不開波士頓動力為機(jī)器人設(shè)計的動態(tài)平衡系統(tǒng)，尤其是對于二足機(jī)器人而言，良好的動態(tài)平衡系統(tǒng)更是為機(jī)器人的整體可操作性發(fā)揮了重要的作用！

就在17年12月6日，波士頓動力申請了一項名為“使用動態(tài)平衡在有腿機(jī)器人上的整體操縱”的發(fā)明專利（申請?zhí)枺?01780075045.7），申請人為波士頓動力公司。

根據(jù)目前公開的專利資料，讓我們一起來看看這項動態(tài)平衡專利吧。

如上圖，首先要介紹的是一種四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，顧名思義，從示意圖中可以看到它有四條仿生足206A、206B、206C及206D，208部位為一個可以用來承載物體的載物臺，因此可以推斷該四足機(jī)器人應(yīng)該是用于搬運貨物。

四條“腿”使得機(jī)器人可以相對于其環(huán)境運動，并且可以擁有一定的自由運動能力，具體而言，“腿”可以使得機(jī)器人根據(jù)不同步態(tài)的力學(xué)特點以各種速度行進(jìn)，例如通過平地、斜坡、坑洼地等多種不同的環(huán)境狀態(tài)，同時可以采用不同的速度例如緩慢、平穩(wěn)、加速等多種不同的形態(tài)。

除了引人注目的四條“大長腿”以外，該機(jī)器人還包括機(jī)械部件110、傳感器112、電源115、電部件116以及控制系統(tǒng)118，這些組件只要是用于機(jī)器人識別周圍的環(huán)境，例如通過圖像傳感器、攝像頭、LIDAR或者紅外傳感器等，而控制系統(tǒng)將通過控制電機(jī)來控制機(jī)器人的運動。我們知道，機(jī)器人有一個很重要的問題就是保持其運動穩(wěn)定性，因此就需要利用控制系統(tǒng)中的控制算法來對于機(jī)器人的運動進(jìn)行有效的控制。

由于四足機(jī)器人本身在不運動時通過四個支點就可以保持平穩(wěn)，而二足機(jī)器人要完成穩(wěn)定的行走、運動就相對困難許多。

如上圖為一種兩足機(jī)器人的示意結(jié)構(gòu)，和四足機(jī)器人較為類似的是，二足機(jī)器人也具有機(jī)械部件110、傳感器112、電源114、電部位116以及控制系統(tǒng)等。

不過二足機(jī)器人只有和本體連接的兩條“腿”304和306，每一條腿可以包括多個構(gòu)件，其通過關(guān)節(jié)連接且可以通過這些關(guān)節(jié)部位進(jìn)行靈活的運動。每一條腿也可以包括各自的腳310和312，擁有這些類似于人體結(jié)構(gòu)的部位，雙足機(jī)器人就可以完成行走甚至是跑步等動作。同樣這些動作離不開視覺傳感器例如攝像頭、紅外傳感器、物體傳感器以及距離傳感器等，同時在精準(zhǔn)而魯棒的控制系統(tǒng)下才能夠完成這些動作。

在不同的場景下，二足機(jī)器人要比四足機(jī)器人能夠發(fā)揮更大的作用，具體而言表現(xiàn)在能夠適應(yīng)更多的不同的環(huán)境場合，例如爬樓梯、面對復(fù)雜的地形，此時四足機(jī)器人就難以發(fā)揮其優(yōu)勢而變得寸步難行，而二足機(jī)器人則可以在這些方面模擬人的運動從而輕松的面對這些場景。

接下來我們具體來看看二足機(jī)器人是如何保持其自身的平衡以及完成運動的吧。

如上圖所示為針對整體操作而采用動態(tài)平衡的二足機(jī)器人，其包括下本體部分408a、上本體部分408b和中間本體部分408c，下本體部分和上本體部分通過中間本體部分相連接。下本體部分包括從中間本體部分大致向下延伸到表面的兩條腿404和406，腿包括構(gòu)件404a1-a2、406a1-a2和關(guān)節(jié)404b1-b2、406b1-b2。

上本體部分包括各自的臂膀418、420的端部上的末端結(jié)構(gòu)422、424，臂可以從上本體部分向外延伸至末端結(jié)構(gòu)，每一個臂也同樣包括多個關(guān)節(jié)以及可以通過這些關(guān)節(jié)進(jìn)行多自由度的運動。

而實現(xiàn)二足機(jī)器人的整體平衡則需要下本體控制系統(tǒng)、上本體控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)三個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)，控制系統(tǒng)從每一個傳感器中收集傳感器數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)來分析機(jī)器人目前所處運動狀態(tài)以及將要進(jìn)行何種操作，例如抬起左腳或者邁出右腿。

而為了實現(xiàn)用于腳的期望位置和用力程度，下本體控制系統(tǒng)將通過反向運動解算器來確定各自腿部的取向和相應(yīng)關(guān)節(jié)位置，這里的反向運動解算器，是指使用機(jī)器人的運動學(xué)方程來確定腿部或者上肢的參數(shù)，以便于可以確定落腳點以及手臂的精準(zhǔn)運動。同時為了實現(xiàn)落腳的精準(zhǔn)，上本體控制系統(tǒng)也可以采用反向運動解算器以確定兩條臂膀的構(gòu)件的取向和關(guān)節(jié)的運動位置。

最后，我們來看看控制二足機(jī)器人保持平衡的整體方法。

如上圖所示為針對整體操作而采用了動態(tài)平衡的操作機(jī)器人的方法，首先，上本體控制系統(tǒng)417b操作末端部位422、424，末端部位基于通過上本體控制系統(tǒng)進(jìn)行的操作而經(jīng)歷末端部位受力Fe1、Fe2，中間本體部分408c基于末端部位受力經(jīng)歷第一中間本體線性力fi。

其次，上本體控制系統(tǒng)將與第一中間本體線性力fi和第一中間本體力矩Mi有關(guān)的信息通信到下本體控制系統(tǒng)，下本體控制系統(tǒng)響應(yīng)于可動末端部位的操作而操作腿部的運動。

最后，主控制器417c可確定如果上本體控制系統(tǒng)試圖讓末端部位運動到期望位置時，是否可通過腳的當(dāng)前位置保持平衡，如平衡不能被保持，則主控制器可對下本體控制系統(tǒng)發(fā)出信號，以讓腳運動到新的位置，以便于達(dá)到系統(tǒng)的整體平衡。

以上就是波士頓動力的機(jī)器人動態(tài)平衡操作方法，通過操作機(jī)器人的四肢部位讓其本身在表面上處于動態(tài)平衡，通過機(jī)器人可以動態(tài)的控制腿，使得反作用力允許機(jī)器人保持支撐整個身體的平衡，更加接近于真人的實際動作！