四足机器人:小而美的地面无人平台「AI产品/工程落地」

作者 | 九三山人

四足机器人可以说是地面机器人中的多旋翼无人机了,以其对恶劣地形的强适应性,越来越受到广泛的关注,虽然目前还是很小众,但凭借波士顿动力的SpotMini等爆款也是赚足了眼球。今天我们就来看看这个小而美的地面无人平台吧。

四足机器人家族虽然经历了十几年的发展,已经有了商业化的产品,但平心而论,目前仍然还只能作为科技发烧友的“折腾平台”、给投资人看的“演示平台”,距离真正的走进社会、独立在应用场景中可靠稳定使用还有很长的路要走。

特点

先说说四足机器人的优势吧。最主要的就是适应恶劣地形,轮式机器人虽然高速且平稳,但是遇到松软地面和崎岖不平的地形就不好使了,这时候四足机器人由于多自由度的姿态控制,完全可以胜任各种高低不平的地形,想象一下狗狗们的运动能力就明白了。

因此,四足机器人在应用场景上就比较广泛了,比如运输工具、地震救援、甚至是导盲犬的工作也可以期待一下的。波士顿动力之前放出来的一段视频就是SpotMini在农场牧羊的场景,确实非常震撼。

产品

实验室中的黑科技四足机器人是很多的,比如Cheetah猎豹四足机器人,在跑步机上可以达到45km/h,百米跑世界记录牙买加飞人博尔特的最高瞬间速度是44.722km/h,大家感受一下。BigDog,俗称大狗,全地形大型负重机器人,可以背负较大的载荷在真实的野外崎岖地面行走,还能够在承受较大的侧向冲击下保持平衡。

但是真正的让四足机器人广为人知的还是要说波士顿动力的SpotMini,绝对的全球爆款,关于它的视频也是让人津津乐道,SpotMini跳舞、开门、牧羊,包括在最近的新冠疫情中还用来照顾病人和道路巡逻,赚足了眼球。

SpotMini体型小巧,本身重量30kg,搭载载荷4kg,正常行走速度1.6m/s,比走路稍快一点,转向+30度,步伐高度30厘米,具有360度视野,视场距离4米,续航时间约90分钟,配备i5处理器、16G内存和512G的SSD存储,具有自动行走、爬楼梯以及避障等功能,也就是说控制者只需要控制前后左右和方向即可,SpotMini会自主识别障碍物并控制姿态稳定通过,当然一些极端地形还是困难的,比如马路牙子、球面障碍物等,但是人家倒了可以自动翻身站立,还是很不错的。

实验室的黑科技资料相对较少,今天我们来看看已经商业化的三款产品,就是文章一开头提到的波士顿动力的SpotMini、苏黎世联邦理工学院的ANYmal、国内宇树科技的Laikago。

据了解,按照价格排序分别是Laikago、ANYmal和SpotMini。当然国内的宇树科技号称低成本研发,创始人王兴兴每一年的新版本都比上一年低50%,果然中国人才是低成本之王,一个生意如果中国人做了,外国人就很难赚钱了,因为我们薄利多销,不为赚钱,交个朋友。

当然国内的宇树科技虽然起步较晚,但进步迅速,以其平台底层的开放性和价格亲民而颇受欢迎,甚至在某些竞争中胜过了波士顿动力而拿到订单。举个例子,SpotMini有点像苹果手机,所有东西都不准改,给你啥就用啥。Laikago则更像安卓手机,你可以自己随便折腾配置等等。

为了有直观感受大家可以看一下Laikago、ANYmal和SpotMini的同台PK视频。

B站视频跳转链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Mx411R71v/?spm_id_from=333.788.videocard.1

技术

从技术角度来说,四足机器人的研制主要包括仿生结构设计、环境感知技术、自主控制技术等。

仿生结构设计很好理解,就是身体结构、仿生四足、驱动硬件等结构设计和选型集成等。目前虽然貌似动物,但是仍然相距甚远,尤其是不够灵活,不够柔性等,比如对于细节的脚踝、尾部等都还研究不足。

环境感知技术主要涉及传感器的选型和布局优化以及信息融合,实现对周围环境的有效感知,尤其是影响平台稳定性的崎岖地形和障碍物等,目标是尽量实现不依赖于操作者的自主避障。目前仍然是以视觉为主,触觉、嗅觉等等都还有很长的路要走,即使传感器有了,如何有效理解传感器信息仍然是非常困难的问题。

自主控制技术主要包括了运动规划、运动控制、SLAM(Simulataneous Localization and Mapping,SLAM,实时定位与建图)等,目前重点关注的是多自由度下的姿态稳定性控制,以及自动翻身等能力的实现,技术路线总体还是以比较经典的状态估计、轨迹控制,以及各种进化为主,比如centroidal dynamics等,这个模型用于控制四足的抬腿、身体摇摆等。强化学习等方法的使用比较少见到报道,据说在一些关节稳定性控制中已经在应用了,所以不要迷信于所谓的前沿科技,好用最重要。不过展望未来仍然还是要引入更多的非线性控制技术的,否则难以适应复杂的环境控制,以及学习进化等问题。

展望

整体来看,四足机器人未来可期,或许会像大疆的多旋翼无人机一样走进千家万户,而且能够带来实实在在的功能服务于大众。

产品角度来说,一定会越来越灵巧、负重能力更强、速度更快、环境适应性更好、续航时间更长,尤其是价格更能被大家所接受。

技术上来说,最大的挑战可能就是自主控制技术了,即所谓的智能技术,这也需要人工智能整个行业的进步带来更多的新方法新模型。

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