談起人形機(jī)器人你會想起什么？是大名鼎鼎的波士頓動力的 Atlas 雙足機(jī)器人，還是軟銀旗下的萌系機(jī)器人 Pepper。實(shí)際上，仿人形雙足機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)有幾十年的歷史了，當(dāng)今以 Atlas 為代表的先進(jìn)人形機(jī)器人已經(jīng)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(jī)器人表現(xiàn)令人吃驚（來源：Boston Dynamics）

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

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

正是看到了這一點(diǎn)，俄勒岡州立大學(xué)動力機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的 Jonathan Hurst 領(lǐng)導(dǎo)了一個研究小組，試圖摸索出腿部運(yùn)動的基本原理，并將他們們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到雙足機(jī)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(jī)器人創(chuàng)業(yè)的浪潮中，他創(chuàng)辦了敏捷機(jī)器人公司（Agility Robotics）并擔(dān)任首席技術(shù)官，致力于探索雙足機(jī)器人的商業(yè)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(jī)器人。而在應(yīng)用場景上，Jonathan Hurst 首先考慮到的是利用這類雙足機(jī)器人對老人和體弱者進(jìn)行家庭護(hù)理，參與火災(zāi)或地震災(zāi)害救援以及遞送包裹。當(dāng)然，稍顯科幻的機(jī)械外骨骼也將會使此類雙足機(jī)器人的熱門應(yīng)用方向。

圖丨敏捷機(jī)器人公司的機(jī)器人Cassie (左)和Digit（右）

靈感來于鳥類奔跑

那么，Jonathan Hurst 的是如何獲取對腿部運(yùn)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(yī)學(xué)院合作的過程中對實(shí)驗(yàn)室里的鳥類的行走和奔跑進(jìn)行了長時間的觀察，他們發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(fā)生了：這只珍珠雞并沒有調(diào)整它跑步的節(jié)奏，它的腿自動伸展來適應(yīng)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(tǒng)。更神奇的是，在這一過程中，鳥類的大腦并不需要對路況進(jìn)行感知并對干擾作出反應(yīng)，一切處理都是由腿部自行處理的。

圖丨珍珠雞

這一發(fā)現(xiàn)為機(jī)器人設(shè)計者提供了一個重要的思路：如果你先制造出你的機(jī)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(jī)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(jī)械特性，或者具備機(jī)器人專家所說的被動動力學(xué)（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(shù)雙足機(jī)器人項(xiàng)目中，這一點(diǎn)都被忽視了。

當(dāng)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(fù)制鳥類腿部的形狀，或者人類腿部肌肉和骨骼的排列形態(tài)。恰恰相反，Jonathan Hurst 希望捕捉動物運(yùn)動的物理學(xué)原理，并從中提取出一個研究人員能夠理解的數(shù)學(xué)模型，然后在計算機(jī)模擬中進(jìn)行測試，最終通過真實(shí)的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。

順著這個思路，研究人員們提出了一個最簡單的數(shù)學(xué)模型：由一個質(zhì)點(diǎn) (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(zhì)點(diǎn)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(guān)節(jié)或者腳在離散的點(diǎn)上不接觸地面的情況。但該模型在模擬中依舊可以產(chǎn)生幾乎所有在人和動物身上觀察到的行走和奔跑的步態(tài)。

圖丨盡管 Atrias 的腿看起來不像人的腿，但是這個機(jī)器人是第一個展示人類行走步態(tài)動力學(xué)的機(jī)器

為了在機(jī)器上測試“彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型”，Jonathan Hurst 在俄勒岡州立大學(xué)的團(tuán)隊與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的 Hartmut Geyer 和密歇根大學(xué)的 Jessy Grizzle 合作開發(fā)了 ATRIAS 雙足機(jī)器人——寓意“假設(shè)機(jī)器人是一個球體”（Assume The Robot Is A Sphere）。

他們用輕質(zhì)的碳纖維棒制作了機(jī)器人的每條腿，并將其排列成一個平行四邊形的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)被稱為平面四桿機(jī)構(gòu)（four-bar linkage）。這種結(jié)構(gòu)好處是最小化了腿的質(zhì)量和相關(guān)的慣性，使其最大程度上接近于“彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型”。此外，研究人員們還在機(jī)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(jī)械能。

當(dāng)然，研發(fā)過程也并非一帆風(fēng)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(dāng)研究人員們改進(jìn)了可以跟蹤機(jī)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(shí)驗(yàn)室里踱步了。

那之后，ATRIAS 又學(xué)會了在被干擾的狀態(tài)中恢復(fù)過來。例如，在一個實(shí)驗(yàn)中，Jonathan Hurst 的學(xué)生向 ATRIAS 扔躲避球，研發(fā)人員們還把 ATRIAS 帶到學(xué)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(shí)證明，在這些情景中機(jī)器人都表現(xiàn)的不錯。

雖然靈活性很重要，但 ATRIAS 的能源節(jié)約也很關(guān)鍵。研發(fā)人員們借助一個叫做單位距離能耗 (cost of transport，COT) 的參數(shù)來考察這一點(diǎn)。該指標(biāo)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(jī)器運(yùn)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(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的仿人形機(jī)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(jī)器人有較明顯的效率優(yōu)勢。事實(shí)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(yùn)行長達(dá)一個小時。

研究人員們還測量了機(jī)器人對地面施加的力。他們把重達(dá) 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(jī)器人的步態(tài)，當(dāng) ATRIAS 行走時，研究人員們記錄了力的數(shù)據(jù)。然后他們用 Jonathan Hurst 的一個學(xué)生代替 ATRIAS，記錄他的腳步。隨著時間內(nèi)的推移，令人歡欣鼓舞的結(jié)果出現(xiàn)了——這兩個數(shù)據(jù)集的結(jié)果十分相似，而據(jù)我們所知，這也是迄今為止對人類步態(tài)動力學(xué)最真實(shí)的機(jī)器人呈現(xiàn)。

最終，研究結(jié)果證實(shí)，一個簡單的“彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型”系統(tǒng)嵌入到機(jī)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(dá)到理想數(shù)值，并且還可以發(fā)掘出腿部運(yùn)動的核心秘密。于是，也便有了此前提到的敏捷機(jī)器人公司的 Cassie 雙足平臺。

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

和 ATRIAS 一樣。Jonathan Hurst 的團(tuán)隊優(yōu)化了 Cassie 設(shè)計的每一個方面，目標(biāo)就是打造一個堅固耐用的機(jī)器人。在具體參數(shù)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(qiáng)力塑料制成的保護(hù)殼使得它更加結(jié)實(shí)。

事實(shí)上，遵循于試驗(yàn)的結(jié)果，Cassie 的腿十分類似于鴕鳥的腿部，而為了達(dá)到商業(yè)化的要求，Jonathan Hurst 更是為 Cassie 設(shè)定了一個很高的標(biāo)準(zhǔn)：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(xù)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(fā)概念上，但 Jonathan Hurst 的團(tuán)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(dá)來驅(qū)動平面四桿機(jī)構(gòu)，這種安排的好處是盡可能地減少了它們的質(zhì)量，然而為此做出的妥協(xié)卻是在步進(jìn)循環(huán)中，一個電機(jī)在執(zhí)行剎車功能時會對另一個電機(jī)產(chǎn)生影響，進(jìn)而有大量不必要的能源浪費(fèi)。對此，在 Cassie 身上，研究人員開發(fā)出了替代腿結(jié)構(gòu)來消除這種影響。這種新的設(shè)計使電機(jī)更小，從而使機(jī)器人甚至比 ATRIAS 更有效率。

為了實(shí)現(xiàn)靈活性，Cassie 的每條腿都有五個運(yùn)動軸，每個軸由一個馬達(dá)驅(qū)動。臀部有三個運(yùn)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(jī)器人的膝蓋和腳關(guān)節(jié)也有兩個電機(jī)提供動力。Cassie 的脛骨和踝關(guān)節(jié)具有額外的運(yùn)動軸，這些運(yùn)動軸是被動的，不是由電機(jī)控制，而是連接到彈簧上，彈簧幫助雙足機(jī)器人在原本無法很好處理的復(fù)雜地形中移動。

Cassie 的腿需要一個比 ATRIAS 更復(fù)雜的低級控制器。對于 ATRIAS，延長一條腿只需要利用兩個發(fā)動機(jī)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(jī)不同的力矩。要做到這一點(diǎn)，控制器需要考慮到腿的慣性，以及電機(jī)和變速箱的動力學(xué)屬性。

圖丨 Cassie 的控制器使用設(shè)定好的腳步放置和動態(tài)平衡，使機(jī)器人能夠爬樓梯

雖然控制問題變得更加復(fù)雜，但這也使得機(jī)器人擁有了更好的性能和更多種的行為。例如，Cassie 可以雜研究人員的初始控制器控制下達(dá)到 5 公里/小時的步行速度，功率范圍從 100 瓦 (站立式) 到 300 瓦 (步行式) 不等，而且鋰離子電池可以連續(xù)工作約 5 小時。同時，這種新型的腿還可以讓 Cassie 以 ATRIAS 無法做到的方式前進(jìn)。

盡管 Cassie 現(xiàn)在還沒有跑過樹林，但是研究人員們把它帶到了戶外，使其在泥土、草地和布滿樹葉的小路上行走。他們現(xiàn)在除了學(xué)習(xí)如何將機(jī)器人的動態(tài)行為與運(yùn)動規(guī)劃結(jié)合起來，還在研究另一個功能，那就是為 Cassie 這樣的機(jī)器人增加更有用的部件——手臂。

圖丨 Digit 的腿和 Cassie 的腿類似，但它的軀干上布滿了傳感器，還有一雙靈活的手臂

更上一層樓的 Digit 機(jī)器人

作為 Cassie 的直系后裔，Digit 有類似的腿部結(jié)構(gòu)，但研究人員們?yōu)樗黾恿艘粋€軀干和一對手臂。手臂與步態(tài)協(xié)調(diào)擺動，可以幫助機(jī)器人提高移動能力和平衡性，同時，雙臂的設(shè)計還可以讓 Digit 在它摔倒時起到支撐作用，使其調(diào)整自己的身體以重新站起來。

Digit 還有一樣?xùn)|西是 Cassie 沒有的: 綜合感知（integrated perception）。Jonathan Hurst 和團(tuán)隊給 Digit 機(jī)器人增加了許多傳感器，包括在軀干上方的激光雷達(dá)。這些傳感器將有助于收集數(shù)據(jù)，使機(jī)器人能夠在類似雜亂的房間和樓梯這樣充滿障礙的環(huán)境中穿行。

當(dāng)然，以 Digit 代表的雙足機(jī)器人還有很長的路要走。但是 Jonathan Hurst 相信他們會改變世界，未來雙足機(jī)器人的影響可能和汽車一樣大。

那么這些雙足機(jī)器人會派上什么用場呢？我們可以盡情地設(shè)想一下：在不遠(yuǎn)的將來，隨著自動駕駛的到來，汽車制造商和 Lyft 和 Uber 等打車公司將擁有大量車輛，這些車輛會在交通高峰期運(yùn)送乘客。但是在深夜和白天空余時間，這些自動駕駛汽車會做什么呢？他們可以將你的包裹從自動化倉庫運(yùn)送到你家的門口，而此時此刻，雙足機(jī)器人就有了用武之地，它們將解決貨物運(yùn)輸?shù)淖詈髱酌椎膯栴}，將貨物真正交到你的手上。

圖丨 Digit 正在學(xué)習(xí)在不同類型的路況上行走，也許有一天它可能會直接把包裹送到你家的門前

隨著送貨機(jī)器人成為高度自動化的物流系統(tǒng)的一部分，相比于比如今的從商店購買物品，這個直接把物品送到家里的系統(tǒng)要便宜得多，如此一來，今天銷售日常商品的商店將變得多余。此外，雙足機(jī)器人還將使機(jī)器人在我們的家庭和商業(yè)活動中有更為廣泛的應(yīng)用，在搶險救災(zāi)的之中也會越來越多地出現(xiàn)它們的身影。

“為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，我們需要解決許多挑戰(zhàn)?！盝onathan Hurst 說，“但是我相信機(jī)器人技術(shù)可以使這個愿景成為現(xiàn)實(shí)。這將是機(jī)器人的一小步，人類的一大步?！?/strong>