對(duì)于少數(shù)已經(jīng)研發(fā)出四足機(jī)器人的中國(guó)院校和科研機(jī)構(gòu)來說，能實(shí)現(xiàn)行走，小幅度的奔跑已經(jīng)是極大的突破了，上文講到了三項(xiàng)底層技術(shù)讓四足機(jī)器人的在外力作用下保持平衡，本文則要介紹四足機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)跳躍式跨過障礙。

目前世界上最迅捷的四足機(jī)器人當(dāng)屬“獵豹”機(jī)器人，而美國(guó)的波士頓動(dòng)力和MIT Biomimetics Robotcs Lab都是其中的佼佼者。MIT的研究人員甚至專門開發(fā)出了一套跳躍算法，并將它用在了機(jī)器豹身上。

據(jù)了解，這臺(tái)機(jī)器豹擁有四肢，配置了齒輪，電池，電動(dòng)馬達(dá)，與動(dòng)物獵豹的重量也差不多。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)器豹進(jìn)行了測(cè)試，它能穩(wěn)定地在草地上跳躍前進(jìn)，最高時(shí)速能夠達(dá)到10英里，能夠跳躍超過一英尺（30cm）的障礙物。據(jù)預(yù)計(jì)，機(jī)器豹的最高時(shí)速能達(dá)到30英里。

問題是：MIT獵豹機(jī)器人的算法有多復(fù)雜？為什么國(guó)內(nèi)不能研發(fā)出這種機(jī)器人？

北京理工大學(xué)四足機(jī)器人博士何玉東認(rèn)為：MIT Cheetah（獵豹）的成功關(guān)鍵不在算法上，而是其機(jī)械結(jié)構(gòu)和執(zhí)行控制設(shè)計(jì)。

MIT Biomimetics Robotcs Lab 副教授Sangbae Kim團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制作的電驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人，其基本思想是模仿真實(shí)的獵豹，實(shí)現(xiàn)高速奔跑，因此該團(tuán)隊(duì)目前的工作主要在如何提高M(jìn)IT Cheetah的奔跑速度上。

MIT Cheetah四個(gè)主要設(shè)計(jì)理念都是為提高該機(jī)器人的奔跑速度以及奔跑時(shí)間（能量效率）服務(wù)的。為實(shí)現(xiàn)快速奔跑并提高能量利用效率，MIT Cheetah的設(shè)計(jì)者主要做了三方面的重要工作：1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)）；3）控制器設(shè)計(jì)。

就目前的情況來看，機(jī)械結(jié)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該說是該機(jī)器人能夠成功的關(guān)鍵，但是在機(jī)械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)定型后，控制器的設(shè)計(jì)將會(huì)越來越重要。

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MIT Cheetah的機(jī)械結(jié)構(gòu)是從動(dòng)物中獲得的靈感。 Kim在CMU的一次講座中提到他在一個(gè)視頻中看到一只細(xì)腿的鹿在歡快的跳躍，他就在想一只鹿那么細(xì)的腿能承受那么重的身體重量進(jìn)行跳躍且腿不會(huì)折斷，那為何我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人雖然采用強(qiáng)度比骨頭大很多倍的鋁合金、鋼、甚至碳纖維等材料卻反而不能承受大負(fù)載實(shí)現(xiàn)跳躍呢？于是經(jīng)過其對(duì)很多生物足部的研究，發(fā)現(xiàn)很多的前足都采用肌腱加腕骨的模式，如下圖：

獵豹機(jī)器人的足部設(shè)計(jì)圖示

于是他認(rèn)為，肌腱結(jié)構(gòu)能夠減小沖擊力，相當(dāng)于增加了腿部的強(qiáng)度。他通過有限元分析驗(yàn)證了自己的結(jié)論，于是設(shè)計(jì)了類似的肌腱結(jié)構(gòu)足部，并在兩個(gè)肌腱之間加入了彈簧以增加一定的柔順性：

獵豹機(jī)器人足端結(jié)構(gòu)

獵豹機(jī)器人設(shè)計(jì)的初衷是是實(shí)現(xiàn)快速奔跑，而奔跑由腿的快速擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)。為提高擺動(dòng)速度，需要盡量減小腿部的慣量，因此，Kim將腿部主要的慣量來源——執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)）全部統(tǒng)一放置于髖關(guān)節(jié)處，并設(shè)計(jì)了低質(zhì)量腿部關(guān)節(jié)，采用類似肌腱的桿來傳遞能量，帶動(dòng)膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。經(jīng)過該設(shè)計(jì)，單腿的重心被控制在了執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在圓以內(nèi)，極大的降低了腿擺動(dòng)時(shí)的慣性，重心位置如下圖CoM所示：

這種設(shè)計(jì)極大降低了腿擺動(dòng)時(shí)的重心

這樣做的好處是什么呢？節(jié)能。飛馳步態(tài)時(shí)兩條前腿同時(shí)觸地和離地，在奔跑過程中，前腿會(huì)有一個(gè)從向后擺動(dòng)然后減速然后加速向前擺動(dòng)的過程，這時(shí)，脊椎的參與使得原本在前腿后擺減速過程中損失的能量存儲(chǔ)在了脊椎的彈性勢(shì)能里面，在前腿向前擺動(dòng)時(shí)再釋放出來轉(zhuǎn)化為前腿的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用。

前后雙腳并行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

最后，MIT Cheetah其實(shí)還設(shè)計(jì)了尾部結(jié)構(gòu)，其靈感來自于獵豹追逐獵物時(shí)，在變換方向過程中，尾巴在保持獵豹奔跑穩(wěn)定性方面起到的至關(guān)重要的作用，如下圖：

尾部的設(shè)計(jì)借鑒了獵豹捕獵時(shí)保持平衡的原理

MIT Cheetah團(tuán)隊(duì)也做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，證明加入尾巴對(duì)側(cè)向沖擊具有抵抗作用，能夠增強(qiáng)其側(cè)向穩(wěn)定性。如下圖所示，在側(cè)向用球擊打MIT Cheetah時(shí)，其尾巴擺動(dòng)提高了側(cè)向穩(wěn)定性。其實(shí)擺尾巴的原理很簡(jiǎn)單，就是角動(dòng)量守恒。

尾部設(shè)計(jì)平衡性實(shí)驗(yàn)

2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上講了其機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性決定了其擁有高速奔跑的潛力，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能力才是真正實(shí)現(xiàn)高速奔跑的大殺器。這里列出其單電機(jī)的基本參數(shù)： 第一版本的Cheetah使用的是商業(yè)級(jí)電機(jī)Emoteq HT-5001，

參數(shù)為： 重量：1.3Kg 最大扭矩：10Nm

而該電機(jī)不符合他們的峰值扭矩要求，于是他們自己隨意設(shè)計(jì)了一個(gè)。他們自己設(shè)計(jì)的電機(jī)參數(shù)為：

重量：1.067Kg 最大扭矩：30Nm

僅從這一點(diǎn)就看出歪果仁的機(jī)械設(shè)計(jì)能力了，為啥他們隨意設(shè)計(jì)了一個(gè)就比商用級(jí)的電機(jī)強(qiáng)這么多？?。≌娴氖请S意設(shè)計(jì)的么？

第二版Cheetah用的就是這個(gè)電機(jī)了。 其執(zhí)行器部分的結(jié)構(gòu)如下圖所示，一個(gè)模塊內(nèi)包含了單腿所需要的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子以及減速齒輪，還包含了必要的光電編碼器。每條腿需要一個(gè)這樣的模塊。

獵豹機(jī)器人專用電機(jī)結(jié)構(gòu)

3）控制器設(shè)計(jì)

最后說說控制器設(shè)計(jì)。這方面從其發(fā)表的論文來看其實(shí)沒有什么新穎的東西，跟BigDog的方法也差不多，甚至還更簡(jiǎn)單。因?yàn)槟壳捌渲饕P(guān)注奔跑速度，對(duì)地形的適應(yīng)能力還沒有做過多的擴(kuò)充，也就在第二版視頻展現(xiàn)了其越障能力，而越障能力其實(shí)已經(jīng)在第一版就實(shí)現(xiàn)了。本來就是研究的galloping飛馳步態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)跳躍并不難。第二版也就是加入了一個(gè)激光測(cè)距傳感器，檢測(cè)前方的障礙物高度，然后實(shí)施跳躍動(dòng)作。如下圖：

加入激光測(cè)距感應(yīng)器后能跨越前方障礙物

當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)跳躍也不是很簡(jiǎn)單，需要計(jì)算起跳地點(diǎn)，落地地點(diǎn)以及達(dá)到落地地點(diǎn)所需要的力，還包括步態(tài)的設(shè)計(jì)，但是這樣的功能波士頓動(dòng)力的BigDog已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，所以也就不算新穎了。

其他一些比較重要的內(nèi)容也順便提一下，一是trot到galloping步態(tài)的切換，采用的是CPG。為提高奔跑穩(wěn)定性，采用了swing leg retracting（擺動(dòng)腿回縮）技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)觸地柔順性，采用了阻抗控制技術(shù)。

總結(jié)：

從以上三點(diǎn)，可以得出：有時(shí)候不一定要有多么深?yuàn)W的算法，但是，一定要有一個(gè)好的平臺(tái)，好的機(jī)械結(jié)構(gòu)。中國(guó)想要做出一臺(tái)高水平的四足機(jī)器人，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功課需要補(bǔ)上。另外，補(bǔ)問一句：中國(guó)的院校和科研機(jī)構(gòu)能獨(dú)立設(shè)計(jì)一臺(tái)專用的電機(jī)嗎？