雙足機器人首次實現「自主式」崎嶇地形行走！應用前景廣泛

雙足機器人首次實現「自主式」崎嶇地形行走！應用前景廣泛

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腿足式機器人我們見過不少，比如能「穿越火線」的Cassie機器人。

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而能夠在崎嶇地形上移動的腿足式機器人，更便於在災害響應和搜索救援中得到應用~

上面這個機器人叫ATRIAS，看這穩健的步伐~和Cassie有很多相似之處，最近加利福尼亞大學伯克利分校和卡內基梅隆大學的實驗室的研究人員在這個機器人身上演示了機器人如何在崎嶇地形上行走~

我們知道，設計能夠處理離散立足點（比如瓦礫或踏腳石）的控制演算法並不容易，因為對於機器人的腳落在哪裡是具有明確限制的，這些系統的運動由複雜的動力學方程式控制制。

而在ATRIAS機器人這個實驗中，通過利用最佳和非線性控制系統的最新進展，研究人員演示了機器人在距離和高度隨機變化的石塊之間的動態行走。

下圖為ATRIAS在梯形並且離散式的地形上行走，步長在27到67厘米之間變化，它的速度保持在0.6m/s。

腿足式機器人多年來，雖然腿足式機器人在機械設計和控制策略方面已經有了明顯的進展，但是這類機器人還沒有在現實生活中有很廣泛的應用，當前最先進的腿足式機器人在准靜態運動時速度較慢，對於意外干擾會表現得很不穩定，並且在能量使用方面效率低下。

穿越離散地形對於下肢外骨骼也是一件具有挑戰性的事情，目前需要使用額外的平衡機制來實現，比如拐杖。最近在Cybathlon比賽中進行的外骨骼比賽就是一個典型例子，其中包括讓機器人走過一系列踏腳石。通過設計機器人和反饋演算法，機器人可以以安全可靠的方式在複雜的地形上實現精確的足跡放置。而ATRIAS機器人實驗的研究人員在探索是否可以啟用新的機器人應用，將這些想法轉化成能夠輔助或增強人類的生物機電裝置。

ATRIAS雙足機器人在不同步長和步高的隨機離散地形上行走

在踏腳石上動態行走

在加州大學伯克利分校的一個叫做「混合機器人」的小組裡面，研究人員一直在設法開發高度自由度雙足機器人的正式控制框架，這個框架不僅要保證機器人在離散地形上實現精確的足跡放置，而且要能夠應對模型的不確定性和外力。這些方法獨立於特定的機器人本身，並且已經在一些機器人模型（包括RABBIT，ATRIAS和DURUS）上進行了模擬測試。

ATRIAS機器人不會提前知道整個地形會是什麼樣子，它只能知道下一步的位置。這更符合機器人在真實世界中可能遇到的情況。研究人員還在ATRIAS雙足機器人平台上實驗性地測試了他們的控制演算法，並且實現了機器人在隨機變化的離散地形上的動態行走，步長在30到65厘米之間變化，步高在需要升高/降低22厘米之間變化。而同時，機器人的平均步行速度也保持在了0.6米/秒。

下面是ATRIAS在隨機擺放的踏腳石上行走

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事實上，這是機器人第一次在隨機擺放的踏腳石上實現自主式動態行走！

技術難度為什麼這種「離散式散步」在機器人技術中是一個難題？前面我們提到了，首先，雙足機器人是具有高度自由度的系統，其運動由複雜的非線性微分方程式控制制，機器人必須通過不斷地與周圍環境接觸來與環境相互作用。

此外，拿ATRIAS機器人來說，它的腳踝上沒有執行器，只有固定落腳點。這就像踩高蹺或攀登一段台階，保持平衡的唯一方法就是繼續採取措施。而踏腳石的存在對腳放置的位置也有嚴格的限制。另外，機器人必須在其他物理約束條件下工作，例如電機扭矩限制和摩擦，所有這些約束都可能相互作用，使得控制設計過程不那麼簡單。

其實，類似的踏腳石實驗也有較為廣泛的研究，在Valkyrie和ATLAS等機器人上也取得過令人印象深刻的成果。而研究人員表示本實驗的方法的不同之處在於允許機器人動態行走，而不是機器人傾向於使用的較慢的准靜態運動。通過對系統動力學中非線性的推理，利用優化和非線性控制技術的最新進展，研究人員可以以簡單緊湊的形式控制機器人和期望行為，同時提供穩定性和安全性保證。從而，機器人可以走過不連續的地形而不會滑倒或摔倒。

下一步

研究人員表示：我們的機器人目前像「盲人」，我們需要向他們提供周圍環境的信息，例如下一塊墊腳石的位置。我們正在致力於將計算機視覺演算法（包括深度分割和深度學習）與我們的控制器集成。這將使機器人能夠對其周圍環境進行推理並完全自主地發展自己的行為。我們計劃將實驗結果擴展到3D，以便在真實世界的踏腳石上行走。

從長遠來看，這項研究將有助於使雙足機器人能夠在室內環境（如樓梯和狹窄走廊）以及戶外環境（如樹木繁茂的小徑）中自主地在粗糙地形上行走。研究的關鍵部分包括安全性、耐用性、敏捷性以及對於外力干擾的穩健性。

這種技術的潛在應用很多，如在搜索和救援中，可以部署這類自主人形機器人代替人類救援人員完成任務;探索尚未開發的地區時（例如其他行星表面），在高度不平坦的地方也能用到；也可以作為家中的個人機器人。此外，這種開發方法也可以轉化為增強人體的機器人設備，例如下肢外骨骼……

想要看ATRIAS機器人實驗完整視頻 ，請戳;

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https://www.zhihu.com/video/997048839970304000
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