波士頓動力足立式機(jī)器人的自我回正方法

波士頓動力發(fā)明的足立式機(jī)器人，借助于多個傳感器以及控制算法，設(shè)計了具有低重心、易回正的硬件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了具有魯棒性的機(jī)器人自我回正。

2019年9月，波士頓動力發(fā)布了關(guān)于機(jī)器狗 Spot 的視頻，視頻中展示了機(jī)器狗在各種地形中的出色避障表現(xiàn)，并且不僅可以避開障礙物，而且還可以在極端的環(huán)境中保持平衡。

我們知道，機(jī)器人尤其是四足以及雙足機(jī)器人，其研發(fā)難點就在于如何保持機(jī)器人的平衡，雖然有了陀螺儀等多種傳感器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但是要研發(fā)一套具有魯棒性的平衡性系統(tǒng)并不容易，機(jī)器人在行走過程中極有可能會滑倒或者翻倒，而機(jī)器人要進(jìn)行回正也非常困難且耗時。

因此，波士頓動力在15年6月24日申請了一項名為“用于機(jī)器人自我回正的系統(tǒng)和方法”的專利（申請?zhí)枺?01580033194.8），申請人為波士頓動力公司。

根據(jù)目前該專利公開的資料，讓我們一起看看波士頓的這項機(jī)器人自我回正方法吧。

如上圖，為這種回正方法的流程圖，系統(tǒng)中的硬件主要包括：機(jī)械系統(tǒng)120、傳感器系統(tǒng)130和控制系統(tǒng)140，而系統(tǒng)的實現(xiàn)也借助于多種傳感器，例如：體載傳感器、2D/3D傳感器以及機(jī)械腿傳感器等，機(jī)械腿傳感器可以檢測機(jī)械腳是否與地面接觸。

首先，系統(tǒng)需要確定機(jī)器人裝置的底表面相對于地面的取向，這是因為機(jī)器人在進(jìn)行行走、俯仰、側(cè)滾以及橫擺等動作時，其與地面接觸的部分會發(fā)生變化，因此可以利用這種變化進(jìn)行下一步的判斷。

當(dāng)機(jī)器人處于不穩(wěn)定的位置時，可以通過其質(zhì)心的位置來確定機(jī)器人的腳的位置，根據(jù)機(jī)器人自身與腳的相對位置關(guān)系，就可以判斷機(jī)器人是否可以進(jìn)行站立，從而恢復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)，對于四足機(jī)器人來說，如果想要恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，則需要不斷調(diào)整腿部的位置，從而支撐身體重新站立起來，例如下圖所示。

可以看到，上圖左側(cè)為機(jī)器人站立時的姿態(tài)，其為具有四條腿的四足機(jī)器人，質(zhì)心靠近機(jī)器人的底表面，這樣有利于機(jī)器人保持平衡。而其底部被設(shè)置為U形，這樣就的好處在于當(dāng)機(jī)器人位于其側(cè)面上時，本體可以很自然的傾向于滾動到穩(wěn)定位置。

而如上圖右側(cè)所示，為機(jī)器人處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這種不穩(wěn)定狀態(tài)可以通過機(jī)器人身上布置的傳感器進(jìn)行檢測，可以看到在這種情況下，機(jī)器人的腿部朝上，不能夠維持正常的平衡狀態(tài)。此時就需要借助于腿部的運動，來使機(jī)器人重新恢復(fù)穩(wěn)定。

在確定機(jī)器人的腳的位置后，可以不斷的調(diào)整機(jī)器人的腿部姿態(tài)，例如將第一側(cè)上的每一條腿從第一位置移動到第二位置等，以此來使得機(jī)器人回正。最后還需要對最終狀態(tài)進(jìn)行檢測，判斷機(jī)器人是否回到了穩(wěn)定位置，這也是由機(jī)器人身上分布的傳感器來實現(xiàn)的。

如上圖，為完整的機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖，其具有四條腿，本體具有較低的質(zhì)心，底表面如上面介紹的那樣具有輪廓406，可以使得機(jī)器人裝置的重力勢能基于機(jī)器人的穩(wěn)定位置而減少，并且可以完成上述的自我回正動作。

以上就是波士頓動力發(fā)明的機(jī)器人自我回正方法，波士頓動力公司演示的機(jī)器人視頻中，機(jī)器人均具有非常出色的自我回正表現(xiàn)，這依靠的不僅僅是例如上述這樣的自我回正方法，在機(jī)器人程序設(shè)計中，也包含著非常多的平衡性算法，正是依靠著出色的算法控制以及精細(xì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能夠帶來如此出色的機(jī)器人，而波士頓動力的四足機(jī)器人也已經(jīng)商用化，將給用戶帶來更大的價值。
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