對(duì)于大多數(shù)機(jī)器人粉來(lái)說(shuō)，提到四足機(jī)器人，相信許多人首先想到的首先是波士頓動(dòng)力的機(jī)器人狗。

波士頓動(dòng)力創(chuàng)立于 1992 年，是全世界腿足機(jī)器人的先驅(qū)者。在四足機(jī)器人領(lǐng)域，瑞士公司 ANYbotics 是波士頓動(dòng)力的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，ANYbotics 的 ANYmal 一直是完全不輸波士頓動(dòng)力 SpotMini 機(jī)器狗的存在。

ANYbotics 由一群蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師于 2016 年成立。它是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（RSL）的衍生公司，因推出機(jī)器人 ANYmal 而聞名。

ANYmal 此前已經(jīng)推出能行走的無(wú)輪版本四足機(jī)器人，它靠四條機(jī)械腿行走，能穿越不平坦的地形，也能爬樓梯。最近研究團(tuán)隊(duì)就為機(jī)器人添加了一組實(shí)用的輪子。

據(jù)悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)自 2018 年以來(lái)一直在與 ANYbotics 公司實(shí)驗(yàn)輪式機(jī)器人，在新的原型中，研究人員為機(jī)器人的每只腳裝上四個(gè)裝有輪轂電機(jī)的輪子。

這種輪足復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合了輪式機(jī)器人在平坦路面上的高效率，和足式機(jī)器人在崎嶇路面上的越野能力。

穿著輪滑鞋的人和輪子驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人之間有一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，機(jī)器人可以對(duì)輪子施加控制，其細(xì)微的差別是人類永遠(yuǎn)無(wú)法比擬的。我們已經(jīng)在波士頓動(dòng)力公司的兩輪人形機(jī)器人 Handle 上看到了這一點(diǎn)，盡管到目前為止，Handle 似乎還沒(méi)有充分利用它的這雙有腿的潛力。

“輪子機(jī)器人”可像溜冰一樣滑動(dòng)

此前波士頓動(dòng)力為開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，給 Handle 輪式機(jī)器人已經(jīng)定下方向。而對(duì)于輪式機(jī)器狗的探索任務(wù)，則落在 ANYmal 等創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)身上。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 ANYmal 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)很早就給他們的機(jī)器狗裝了四個(gè)輪子。當(dāng)時(shí)只公布了這四只腳底的輪子能夠像溜冰一樣滑動(dòng)，還會(huì)在震動(dòng)環(huán)境下匍匐前進(jìn)。

此外，ANYmal 能在保持身體重心的情況下，過(guò) “單邊橋”。

最近，該團(tuán)隊(duì)就這款機(jī)器人發(fā)布了更多視頻，證明輪足版 ANYmal 的已經(jīng)更加成熟和穩(wěn)定。不過(guò)，裝有固定輪子的 ANYmal 并沒(méi)有喪失作為腿足機(jī)器人的步行能力，它依然能在 “穿著輪滑鞋” 的前提下步行完成一些移動(dòng)、調(diào)整方向等任務(wù)。

據(jù)相關(guān)研究人員介紹，帶輪子的 ANYmal 與其他輪足式機(jī)器人相比，能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)輸成本上還可降低 83％，與其腿式機(jī)器人相比有明顯的優(yōu)越性。

在 2019 年的 DARPA 機(jī)器人地下挑戰(zhàn)賽中，ANYmal 腳踩 “風(fēng)火輪”，跨越障礙的能力非常強(qiáng)。這意味著，它跨越障礙的能力比輪式機(jī)器人強(qiáng)，同時(shí)又比腿式機(jī)器人走得快，當(dāng)時(shí)，研究人員表示它是全球首個(gè)應(yīng)用在實(shí)際任務(wù)中的輪式 - 腿式混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。

在最近公布的視頻中，ANYmal 輪足機(jī)器人四個(gè)腿部和四個(gè)輪子與它進(jìn)行的每個(gè)動(dòng)作已經(jīng)無(wú)縫地融合在一起，研究人員還設(shè)計(jì)了能在車輪模式和行走模式之間切換的算法，ANYmal 的速度和穩(wěn)定性也得以提高。

輪子和腿加在一起會(huì)產(chǎn)生什么作用？

要了解為什么輪子和腿加在一起會(huì)對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)性產(chǎn)生如此大的改變，我們可以看看是如何運(yùn)作的。

圖 | ANYmal 輪足機(jī)器人展示最佳混合步態(tài)

這種輪足機(jī)器人不僅能夠成功克服斜坡、樓梯等輪式機(jī)器人的障礙，而且在速度上也超過(guò)了四足機(jī)器人。

ANYbotics 公司的四足機(jī)器人 ANYmal C 能夠在動(dòng)態(tài)人類環(huán)境中高度自主地執(zhí)行任務(wù)。還具有同步定位和地圖繪制（SLAM）功能，并且可以部分避免意外的障礙，這是因?yàn)槠淞Ⅲw光學(xué)攝像頭可提供 360 度視野的深度信息，激光雷達(dá)系統(tǒng)可提供額外的環(huán)境數(shù)據(jù)，并給機(jī)器人在 100 米范圍內(nèi)導(dǎo)航。

而這次的輪足版 ANYmal 是一個(gè) “盲眼” 機(jī)器人，不需要任何攝像頭或激光雷達(dá)，就可以動(dòng)態(tài)選擇最佳的混合步態(tài)，將輪子滾動(dòng)和腿的踏步的融合，只是根據(jù)對(duì)車輪下的地形的感覺(jué)，它可以根據(jù)每條腿的輪子運(yùn)動(dòng)的效用，在滾動(dòng)和步態(tài)之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換。

如果一個(gè)輪子效率不高，車載傳感器和運(yùn)動(dòng)計(jì)劃微控制器可以選擇性地控制每個(gè)車輪的扭矩，將這條腿切換到踏步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持與其他腿的協(xié)調(diào)。總的來(lái)說(shuō)，這使得 ANYmal 的這種輪足機(jī)器人移動(dòng)速度更快，而不會(huì)降低其應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形的能力，并且降低了運(yùn)輸成本，因?yàn)闈L動(dòng)比步行的效率高得多。該機(jī)器人可以在達(dá)到 4 米 / 秒的速度下實(shí)現(xiàn)高度動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)，作為對(duì)比，已經(jīng)開(kāi)始對(duì)外銷售的四足無(wú)輪機(jī)器人 ANYmal C ，移動(dòng)速度為 1 米 / 秒。

圖 | ANYmal C

ANYmal 機(jī)器人還能夠根據(jù)特定的情況切換腿部 / 輪子的運(yùn)動(dòng)方式：它可以根據(jù)輪子上的電力 “安培” 或是否有障礙物來(lái)切換到腿部運(yùn)動(dòng)。這款機(jī)器人也是非常小巧，保持了與其他四足機(jī)器人相似的外觀。

圖 | 早期原型，會(huì)滑冰的 ANYma

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Marko Bjelonic 是負(fù)責(zé)這次研究的科研人員之一，他表示他們可以做到通過(guò)程序自動(dòng)找到周期性步態(tài)序列，而不需要預(yù)先定義步態(tài)時(shí)序。根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前的情況，每條腿都能自行推理出何時(shí)是抬離地面的好時(shí)機(jī)，這種方法在崎嶇不平的地形中效果相當(dāng)好。

關(guān)于未來(lái)是否會(huì)為這種輪足機(jī)器人裝飾傳感器來(lái)識(shí)別地形，Marko 表示這次提交的論文只是基于機(jī)器人本體感覺(jué)信號(hào)，即沒(méi)有使用地形感知來(lái)根據(jù)環(huán)境進(jìn)行步態(tài)轉(zhuǎn)換。他們很驚訝這個(gè)框架在平坦和不平坦的地形上都已經(jīng)有了很好的效果。但他們目前正在研究一種擴(kuò)展，即在前期根據(jù)地形，讓機(jī)器人規(guī)劃步態(tài)序列。這種地形響應(yīng)的擴(kuò)展能夠處理更復(fù)雜的障礙物，比如樓梯。

圖 | 輪足也能行走自如

他表示，目前的輪子不能轉(zhuǎn)向，這是一個(gè)好的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@樣機(jī)器人就不得不探索混合滾輪和行走的運(yùn)動(dòng)。從應(yīng)用的角度來(lái)看，輪子可以轉(zhuǎn)向，可能是有益的。他們已經(jīng)分析了腿部配置和每條腿的致動(dòng)量，可以旋轉(zhuǎn)機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)內(nèi)收 / 外展，在不增加機(jī)器人復(fù)雜度的情況下，增加了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。

Marko 還認(rèn)為，有腿部機(jī)器人都應(yīng)該有輪子， 輪足機(jī)器人在未來(lái)會(huì)更加普遍。在自然界中沒(méi)有這種運(yùn)動(dòng)方式，使得設(shè)計(jì)輪足機(jī)器人更具挑戰(zhàn)性，這可能也是沒(méi)有出現(xiàn)類似生物的原因之一。目前只有少數(shù)腿輪機(jī)器人平臺(tái)，例如，滾輪行走的 ANYmal、CENTAURO 機(jī)器人和波士頓動(dòng)力公司的 Handle，但隨著目前這一領(lǐng)域的進(jìn)步，會(huì)有更多類似的概念機(jī)器人出現(xiàn)。

關(guān)于未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)正在研究一個(gè)框架，使機(jī)器人能夠在地面和具有挑戰(zhàn)性的障礙物上進(jìn)行更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。這里的挑戰(zhàn)是如何為這樣的高維問(wèn)題找到最佳的機(jī)動(dòng)性，以及如何在真實(shí)機(jī)器人應(yīng)用中穩(wěn)定地執(zhí)行這些運(yùn)動(dòng)。

而關(guān)于這項(xiàng)研究的相關(guān)論文 “Whole-Body MPC and Online Gait Sequence Generation for Wheeled-Legged Robots”，已經(jīng)發(fā)表在 arXiv 預(yù)印本平臺(tái)上，論文由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的幾位作者撰寫(xiě)。

圖 | 最近出現(xiàn)的腿輪機(jī)器人平臺(tái)，如 Wheeled-ANYmal、ASCENTO 和 Handle

當(dāng)前，人們對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求也越來(lái)越復(fù)雜。工作環(huán)境的復(fù)雜性和多樣化對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求，對(duì)于對(duì)于有腿的機(jī)器人，疫情蔓延歐美的 2020 年，似乎是是具有突破性的一年，這從資本方面的動(dòng)作可以看出，美國(guó)機(jī)器人研發(fā)公司 Agility Robotics 最近為其 Digit 類人機(jī)器人籌集了 2000 萬(wàn)美元的 A 輪融資，ANYmal 公司也在前幾天完成了 2230 萬(wàn)美元的 A 輪融資。隨著類似機(jī)器人剛剛開(kāi)始進(jìn)入主流，市場(chǎng)似乎已經(jīng)準(zhǔn)備好持續(xù)增長(zhǎng)。

在過(guò)去，機(jī)器人要么傾向于使腿，要么使用輪子移動(dòng)。而大部分輪腿結(jié)合的輪足式機(jī)器人仍然只在研究領(lǐng)域。ANYmal 這次展示的四足輪式機(jī)器人的潛力，是否指明了未來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展方向？這或許需要交給時(shí)間。

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