做一个双足轮式的可跳跃机器人，技术难度有多大？

昨天，波士顿动力官方发布了用于研究的机器人 Handle，它结合了轮子的高效与腿部的灵活。在上个月，曾有一个泄露出来的 Handle 机器人测试片段在网上传播，不过，这一次波士顿动力公布了这款机器人的新细节，还有才艺表演视频。

（Handle）约 6.5 英尺高，行进速度为每小时 9 英里，垂直跳跃高度为 4 英尺。电力运行电子和液压驱动器，一次充电的续航能力约为 15 英里。Hand 使用的许多动力学、平衡、移动控制原理，也是我们之前打造四足和双足机器人采用过的，只不过这款机器人只有 10 个驱动关节，很明显，比起之前的机器人，它没那么复杂。轮子可以在水平面上快速滑行，但是机器人可以使用腿部去任何地方，兼具轮子和腿部功能的 Handle 能博采两家之长。

和波士顿动力的其他机器人一样，Handle 目前也没有任何商业打算。目前严格用于研究，看看打造机器人时，将腿部和轮子结合起来主意会有多惊艳。

正如BD官方视频介绍中说的那样：

“Wheels are efficient on flat surfaces while legs can go almost anywhere: by combining wheels and legs Handle can have the best of both worlds.“

如果轮+足的结构这么好，为什么以前没人做过？很大程度是因为这件事在工程上太难了。

难点一

柔性控制

Handle的足部关节不论是在面临突然出现的斜坡还是承受落地的冲击时都表现出了很好的柔性，这对系统稳定性非常关键。如果关节使用简单的位置或速度控制，机器人在高速遇到未知的接触面时会瞬时产生巨大的冲击力，不仅难以控制，甚至容易损坏机器人本体。

Handle在斜坡上如履平地

难点二

大扰动下的非线性系统控制

为了承受如此大的外部扰动，用传统的简单线性倒立摆建模是显然不够的，机器人需要动用全身所有的关节，所有的运动资源来维持平衡。

比如我们可以注意到Handle转弯时并不是简单地让轮子差速转动，而是像溜旱冰一样加入了身体的自然侧倾:

再比如跳上桌子瞬时的手臂摆动。

这样的一个机器人的全身动力学模型是高度非线性的，其实时平衡控制解算本身就是一个挑战，更不要说需要考虑在大量扰动/不确定性存在时的稳定性了。

难点三

混合控制（Hybrid control）

只用一个连续模型是没法做”跳跃“这种动作的。机器人同时拥有连续（关节角度、速度）和离散（与地面的接触面位置、数目）的状态，这属于混合控制“Hybrid Control”的研究范畴。甚至视频中“双手举起100磅重物”这个任务，也需要把重物作为模型的一部分来做控制，因为如果只把重物当扰动的话，这扰动也太大了。

Hybrid Control这个学科本身就还不是很成熟（相对于其他多数控制理论而言），其前十几年的研究和成果都集中在混合线性系统上。对于Handle这种非线性混合系统，学术界的成果很多都还停留在“证明一个稳定的控制器是否存在”这个层面，近些年也有了很多“给定一个控制器，分析其稳定性”的方法。但对于“给定问题如何设计一个控制器”，还并不是很完善。

难点四

硬件本身

回到机器人Handle本身。官方介绍它身高1.98米，纵跳1.2m。这特么是乔丹的身高+内特.罗宾逊的弹跳啊。Handle的轮子可以以14Km/h的速度前进。整个机器人由电池供能，驱动电机和液压泵。无需外接设备，一次充电续航24千米。

波士顿动力的创始人 Marc Raibert 称呼 Handle 是「会让人做噩梦的机器人。」我们表示赞同，特别是如果 Handle 和我们一起在库房工作或者为我们送披萨。

以下是 IEEE Spectrum 对波士顿动力创始人 Marc Raibert 的简短采访：

IEEE Spectrum：怎么会想到轮子的？打造这台机器人花了多长时间？

Raibert：将轮子和腿结合起来的想法早就有了，不过还没有机会加以研究。去年夏天，我们开始实现这个想法，大概花了六个月的时间。我们加快了项目进程，因为使用了原先为 Atlas 设计的能源、手臂以及上半身的设计。

IEEE Spectrum：在腿式机器人中，你们成功使用了基于生物学启示的控制策略，可以将这一策略再次（或调整后）用到 Handle 身上吗？

Raibert：Handle 所用到的控制，很多得益于之前四足和双足机器人的经验。不过软件不尽相同，但是，平衡、动力学控制原理都是很多共同之处，物理学根据是一样的。

IEEE Spectrum：Handle 的上半身是不完全的 Atlas，还是一个全新设计？它是全电动的吗？使用了液压技术？

Raibert：是的。它用的是 Atlas 的上半身，手臂根据 Atlas 手臂做了轻微改动。电力（电池）驱动，不过，它有电力和液压驱动。

IEEE Spectrum：这么长的时间里，你们一直在研究设计腿式机器人，你和团队对轮子有何感受？

Raibert：轮子是伟大的发明。但是，轮子只适合平坦的地面，腿可以抵达任何地方。因此，结合腿和轮子，Handle 就能博采两家之长。

整理自：机器之心、机器人学家