机器人快跑！伯克利和CMU联合开发两足机器人，两条细腿，一马平川(2)

足式机器人最值得探索的地方也正在于此——能够在非结构化和不平整的地形上航行。 [好文分享：www.ii77.com]

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图：ATRIAS双足机器人用不同的步长和步高在随机离散地形上行走

它们比轮式机器人灵活得多，轮式机器人很难在有空隙或高度有重大变化的地形上导航，而双足机器人能够穿越离散和不可预测的地形，这使它们成为了空间探索、灾难响应以及城市环境中个人机器人的理想候选者，这些机器人需要在为人类设计的离散地形上行走，比如楼梯或跳板。

为了促进机器运动技术的进步，也有不少奖项设立，比如W奖。此奖项是对机器运动中最先进技术的挑战，例如对台阶和楼梯的攀爬、在不超过10,000秒的时间内行驶10公里等等。

虽然这些年来,足式机器人的机械设计和控制策略有了显著的改善，但是仍然没有在现实世界中真正使用。目前最先进的机器人依然在准静态地面运动速度缓慢，而且抗干扰能力弱，对能源的利用也是效率低下。

对于下肢外骨骼来说，跨越离散地带也是一个难题，目前的解决方法是，用户添加额外的平衡机制，比如说拐杖，但是即便这样也不能实现完全的自主行走。这一点也在最近的Cybathlon外骨骼竞赛中得到了体现。

通过设计机器人和反馈算法，使得机器人能够以一种安全、可靠的方式在复杂的地形上实现精确的足迹设计，我们能够将这种新的机器人应用到实际生活中，并且将这些想法转化成增强人类能力的生物电子设备。

为什么在跳板上的动态行走这么难？

伯克利大学的混合机器人小组一直致力于为高自由度双足机器人开发正式的控制框架，这种框架不仅能保证在离散地形上精确的步进位置，还能对不确定性和外力建模保持鲁棒性。这些方法独立于特定的机器人本身，并在RABBIT、ATRIAS 和DURUS等多种机器人模型上进行了仿真测试。

此外，这些机器人提前并不能“知道”地形会是什么样子;只有下一步的位置会显示给机器人，这个场景很好地描述机器人在现实世界中可能遇到的情况。

伯克利研究组在ATRIAS双足机器人..上测试了控制算法,并能够实现在不同离散随机地形上的动态行走，步长在30至65厘米不等，步行高度（抬腿）为22厘米,同时保持平均步行速度为0.6米/秒。

可以说，伯克利的ATRIAS是双足机器人上首次，在步长和步高同时变化的跳板上，完成了动态行走。

为什么离散行走在机器人中如此困难?

首先，两足机器人是高自由度系统，其运动由复杂的非线性微分方程控制，这些方程描述了机器人与地面相互作用中的混合动力：机器人必须通过不断地与周围环境进行接触和打破接触来与环境互动。

此外，ATRIAS是欠驱动的，这意味着它在脚踝处没有驱动器。你可以想象一下踩着跳板或者踩着高跷爬楼梯：保持平衡的唯一方法就是一直走下去。

跳板的问题也对脚的放置有严格的限制，当然在现实世界中，这些跳板也可能会倒塌(在不久的将来我们将会解决这个问题)。此外，机器人还必须在其他物理约束下工作，如电机转矩限制和摩擦(机器人不能滑倒)。所有这些约束相互作用，使得控制设计过程变得非常重要。

跳板问题已经得到了广泛的研究，在像Valkyrie和ATRIAS这样的机器人身上取得了令人印象深刻的成果。但是不同的地方是，伯克利的方法允许动态行走，而不是机器人倾向于使用的缓慢的准静态运动。

通过对系统动力学中的非线性进行推理，并利用最近最优控制和非线性控制技术的进展，伯克利小组可以在提供形式的稳定性和安全性保证的同时，以简单紧凑的形式指定控制目标和期望的机器人行为。这意味着，这种机器人可以在离散的地形上行走，而不会滑倒或摔倒。

下一步的研究