詳細(xì)探討波士頓動(dòng)力機(jī)器人背后的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本文從波士頓動(dòng)力背后申請(qǐng)的專(zhuān)利入手，從動(dòng)力系統(tǒng)、步態(tài)分析，詳細(xì)探討了波士頓動(dòng)力機(jī)器人背后的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

波士頓動(dòng)力四足機(jī)器人的發(fā)展歷程（前世今身）

相比于輪式或履帶機(jī)器人，波士頓足式機(jī)器人具有更強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，身體十分靈活，可以在各種崎嶇不平的地面行走。

奔跑性能極強(qiáng)的Wildcat

平衡力極強(qiáng)的Spot

不懼摔倒的SpotMini

歡樂(lè)起舞的新版SpotMini

經(jīng)過(guò)一年年的技術(shù)迭代，波士頓動(dòng)力的四足機(jī)器人不再僅僅是應(yīng)對(duì)軍方的大狗機(jī)器人，而越來(lái)越變得小巧靈活，適應(yīng)力極強(qiáng)。

為了探索其背后的技術(shù)路線(xiàn)，我們對(duì)波士頓動(dòng)力申請(qǐng)的專(zhuān)利進(jìn)行了檢索分析：

波士頓專(zhuān)利布局

對(duì)主要申請(qǐng)人Boston Dynamics進(jìn)行檢索，檢索截止日期為2019年1月，其中涉及機(jī)器人的專(zhuān)利文獻(xiàn)共有72篇，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，可以得到如下結(jié)果：

波士頓動(dòng)力的專(zhuān)利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)圖

可以看出：從2001~2011年，波士頓動(dòng)力共申請(qǐng)了4件有關(guān)足式機(jī)器人的專(zhuān)利，這十年是足式機(jī)器人技術(shù)的探索階段，即專(zhuān)利布局的早期階段；從2014年開(kāi)始，波士頓動(dòng)力在足式機(jī)器人的不同技術(shù)維度開(kāi)始進(jìn)行專(zhuān)利布局；直至2017年都保持了較高的申請(qǐng)量，這期間不斷推出了足式機(jī)器人的改進(jìn)版，于2016-2017年推出的SpotMini是更新?lián)Q代的產(chǎn)品（爬樓梯的SpotMini），為其商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

如下圖所示，通過(guò)對(duì)上述72篇專(zhuān)利進(jìn)行分類(lèi)標(biāo)引，波士頓動(dòng)力四足機(jī)器人的技術(shù)領(lǐng)域主要涉及液壓驅(qū)動(dòng)和電液混合驅(qū)動(dòng)，上述技術(shù)保證了機(jī)器人具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力。而步態(tài)規(guī)劃、平衡控制、復(fù)雜地形動(dòng)態(tài)規(guī)劃以及自我回正屬于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)也是波士頓的核心技術(shù)，上述技術(shù)使機(jī)器人更好的適應(yīng)環(huán)境，維持動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)。

波士頓動(dòng)力的專(zhuān)利技術(shù)分布圖

下圖為波士頓動(dòng)力足式機(jī)器人專(zhuān)利技術(shù)路線(xiàn)圖。

波士頓四足機(jī)器人技術(shù)路線(xiàn)圖

1、波士頓動(dòng)力早期專(zhuān)利

通過(guò)分析波士頓動(dòng)力的專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，波士頓動(dòng)力雖然成立于1992年，然而早期的專(zhuān)利申請(qǐng)多是關(guān)于離合器、軸承、醫(yī)療器械等，直至2001年9月21日才與SONY公司聯(lián)合申請(qǐng)一種仿生寵物狗機(jī)器人專(zhuān)利（US6484068B1），該專(zhuān)利主要解決的是寵物狗機(jī)器人的跳躍控制，如下圖。

US6484068B1附圖

專(zhuān)利中將跳躍劃分為兩個(gè)控制階段，第一階段控制機(jī)器人的四個(gè)腳同時(shí)跳離地面，第二階段控制前腿先落地后腿后落地，通過(guò)改變腿的落地角度和延遲角度實(shí)現(xiàn)落地。

而在2004年6月9日波士頓動(dòng)力獨(dú)立申請(qǐng)了一份可以行走或爬行的多足機(jī)器人的專(zhuān)利US20050275367A1，設(shè)置在機(jī)身上的12個(gè)電機(jī)通過(guò)錐齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)六個(gè)腿的運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。通過(guò)這種錐齒輪機(jī)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人身體高度的調(diào)整。

US20050275367A1附圖

US20050275367A1附圖

經(jīng)過(guò)了前期在多足機(jī)器人領(lǐng)域的探索，波士頓動(dòng)力在多足機(jī)器人的發(fā)展上持續(xù)改進(jìn)，并將其成果進(jìn)行專(zhuān)利布局。

2、四足機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)分析

動(dòng)力問(wèn)題是機(jī)器人的核心問(wèn)題，關(guān)系著機(jī)器人能否動(dòng)起來(lái)，工作時(shí)間的長(zhǎng)短。波士頓動(dòng)力早期的機(jī)器人主要是電機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)于沒(méi)有載荷要求的機(jī)器人而言是足夠的，對(duì)如Bigdog這類(lèi)以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力且需搭載較大負(fù)荷的機(jī)器人則顯得力不從心，為此，波士頓動(dòng)力在液壓驅(qū)動(dòng)方面布局了較多專(zhuān)利，如下圖的液壓控制技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)。

波士頓動(dòng)力液壓控制發(fā)展路線(xiàn)圖

BigDog系統(tǒng)能耗高的問(wèn)題突出，能量的多次轉(zhuǎn)換、多環(huán)節(jié)傳遞造成了大能量損失，如下圖所示為足式機(jī)器人在前行中理想的足部軌跡，腿部的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在理想軌跡下機(jī)器人可降低液壓驅(qū)動(dòng)能耗。

足部理想軌跡圖

足式機(jī)器人在不同場(chǎng)合需要不同的功率供給，具有不同功率模式切換是降低功耗的重要手段，為此，波士頓動(dòng)力在2008年10月14日提交的專(zhuān)利US20100090638A1中通過(guò)傳感器檢測(cè)力，控制器控制閥適時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)按需高功率或者低功率模式。

在此基礎(chǔ)上，波士頓動(dòng)力在2011年5月18日提交的專(zhuān)利申請(qǐng)US20120291873A1中公開(kāi)了一種具有高壓油路，中壓油路和低壓返回油路的液壓系統(tǒng)，如下圖所示。

US20120291873A1附圖

為了提高機(jī)器人運(yùn)行的效率、減小功率消耗以及提高運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)健性，波士頓動(dòng)力在2014年8月1日提交的專(zhuān)利US20160023647A1中通過(guò)判斷關(guān)節(jié)承受的載荷類(lèi)型和大小，以選擇適當(dāng)?shù)囊簤夯螂妱?dòng)致動(dòng)器，使得機(jī)器人的功率消耗最低。如下圖所示，機(jī)器人根據(jù)不同的負(fù)載選擇不同的驅(qū)動(dòng)方式組合。

US20160023647A1附圖

下圖是機(jī)器人的期望驅(qū)動(dòng)力，期望的力為液壓驅(qū)動(dòng)力和電驅(qū)動(dòng)力的總和，液壓驅(qū)動(dòng)為離散力，電驅(qū)動(dòng)為連續(xù)的力，兩種驅(qū)動(dòng)方式相互補(bǔ)充從而形成期望的力，達(dá)到最佳的驅(qū)動(dòng)效率。

US20160023647A1附圖

比外，波士頓動(dòng)力還在提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定供壓、通過(guò)不同壓力組合、分階段供壓、提高液壓部件損壞工作壽命、提高閥的響應(yīng)速度等方面均進(jìn)行了專(zhuān)利布局。以上這些專(zhuān)利中的技術(shù)均用于保證液壓系統(tǒng)高效和可靠工作。

3、四足機(jī)器人步態(tài)分析

在解決了動(dòng)力方面的問(wèn)題后，還需解決機(jī)器人如何動(dòng)的問(wèn)題。四足機(jī)器人在行進(jìn)時(shí)不同的時(shí)間段需要不同的行進(jìn)速度，而不同的行進(jìn)速度對(duì)應(yīng)不同的步態(tài)，四足機(jī)器人的步態(tài)包括Walk（慢走）、Trot（小跑）、Bounding（跳躍）、Gallop（飛奔）。

Wildcat奔跑轉(zhuǎn)向

上圖中的Wildcat正在以Bounding步態(tài)奔跑并完成了奔跑狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向，整個(gè)過(guò)程都很流暢?？煽闯霾ㄊ款D動(dòng)力已經(jīng)很好的解決了機(jī)器人在各種速度下的步態(tài)轉(zhuǎn)換。下面將波士頓動(dòng)力在該方面的專(zhuān)利進(jìn)行如下分析。

3.1 步態(tài)轉(zhuǎn)換

步態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展

通過(guò)檢索，波士頓動(dòng)力在步態(tài)轉(zhuǎn)換方面先后申請(qǐng)了6件專(zhuān)利，其技術(shù)發(fā)展如上圖所示，主要涉及如何實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)、制定步態(tài)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則、制定步態(tài)列表等。

3.2 步態(tài)控制和轉(zhuǎn)向

Trot

Gallop

波士頓動(dòng)力在2014年12月17日申請(qǐng)且已授權(quán)的專(zhuān)利US9395726B1中公開(kāi)了機(jī)器人通過(guò)控制俯仰角、高度、速度以及其產(chǎn)生的力實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)，下圖所示，Bound步態(tài)用于完成一般奔跑，而Gallop步態(tài)適合于高速奔跑。

US9395726B1附圖

而當(dāng)機(jī)器人需要轉(zhuǎn)向時(shí)，可通過(guò)橫向移動(dòng)側(cè)方的兩條腿并配合轉(zhuǎn)動(dòng)和偏航角來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體的轉(zhuǎn)彎，如下圖所示。

US9395726B1附圖

3.3 制定步態(tài)準(zhǔn)則

基于上篇專(zhuān)利涉及的不同步態(tài)，波士頓動(dòng)力為實(shí)現(xiàn)各種步態(tài)轉(zhuǎn)換制定了步態(tài)準(zhǔn)則，并在2015年7月23日申請(qǐng)且已授權(quán)的專(zhuān)利US9931753B1中，公開(kāi)了可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)所需步態(tài)的轉(zhuǎn)換的方法，通過(guò)識(shí)別當(dāng)前的步態(tài)信息，根據(jù)不同的操作標(biāo)準(zhǔn)判斷當(dāng)前的步態(tài)是否屬于其中，并按照其中的一種步態(tài)行走。

3.4 制定步態(tài)列表

波士頓動(dòng)力為實(shí)現(xiàn)各種步態(tài)的順利轉(zhuǎn)換，制定了步態(tài)列表并可查詢(xún)，其在2015年11月3日申請(qǐng)且已授權(quán)的專(zhuān)利US9789607B1、以及在2016年06月27日申請(qǐng)且已授權(quán)的專(zhuān)利US10017218B1中，均公開(kāi)了基于轉(zhuǎn)向命令使足式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)目標(biāo)步態(tài)。

US9789607B1側(cè)重于不同步態(tài)列表的查詢(xún)、US10017218B1側(cè)重于相同步態(tài)的腿的行走順序并避免失步，如下圖所示為制定的步態(tài)列表。

US9789607B1附圖

根據(jù)不同的速度區(qū)間設(shè)計(jì)不同步態(tài)，并排列成步態(tài)列表，在機(jī)器人內(nèi)部存儲(chǔ)有多個(gè)步態(tài)列表。實(shí)際操作中，根據(jù)機(jī)器人的行走速度判斷所處的狀態(tài)，遍歷列表，直至獲得相符的步態(tài)，進(jìn)而控制機(jī)器人以相關(guān)步態(tài)行走。

US9789607B1附圖

該專(zhuān)利中再次涉及了機(jī)器人通過(guò)步態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如上圖所示，當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人通過(guò)轉(zhuǎn)向避開(kāi)障礙，機(jī)器人根據(jù)偏航偏差和位置偏差進(jìn)行轉(zhuǎn)向。該專(zhuān)利中還涉及了Walk和Trot的切換方式，如下圖所示，在416后切換為500，進(jìn)而開(kāi)始Trot步態(tài)。

Walk轉(zhuǎn)Trot

US9789607B1中的Walk和Trot轉(zhuǎn)換

3.5 保持前后重心高度一致

機(jī)器人在行進(jìn)中，由于諸多原因?qū)е轮匦陌l(fā)生傾斜，處于懸空狀態(tài)下的邁步腿根據(jù)當(dāng)前支撐腿及機(jī)身的狀態(tài)選擇正確的落地位置，保證機(jī)體重心落在穩(wěn)定區(qū)域之內(nèi)。

基于此，波士頓動(dòng)力在2016年6月27日申請(qǐng)且已授權(quán)的專(zhuān)利US10059392B1中公開(kāi)了一種控制具有非恒定俯仰角和高度的機(jī)器人裝置，通過(guò)調(diào)整機(jī)器人前后部分的質(zhì)心位置可以使保證機(jī)器人在奔跑中保持機(jī)身重心高度一致，如下圖。

US10059392B1附圖

如果硬要給波士頓動(dòng)力的四足機(jī)器人劃定一個(gè)界限，以上便是其四足機(jī)器人的前世。

采用液壓控制，采用控制閥、高低壓選擇供壓的方式降低系統(tǒng)能耗，采用離散/連續(xù)控制、蓄能器、壓力預(yù)測(cè)、不同液壓壓力、分階段供壓組合的方式保證機(jī)器人足夠的壓力供給的；早期聚焦的是如何實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的不同步態(tài),讓它有不同的風(fēng)姿~

如今的Spot及SpotMini中采用電液混合的方式驅(qū)動(dòng)降低能耗，專(zhuān)注于不同步態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，通過(guò)制定轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則從而制定步態(tài)列表，來(lái)實(shí)現(xiàn)其更靈活多變的姿態(tài)，或是說(shuō)更像一只活靈活現(xiàn)的小狗。