解讀波士頓動(dòng)力機(jī)器人后空翻背后的黑科技

　　波士頓動(dòng)力公司出品的機(jī)器人常常會(huì)讓你覺(jué)得不可思議，據(jù)報(bào)道，波士頓動(dòng)力推出了一款叫做 Atlas 的機(jī)器人很流暢的完成了一系列高難度“ 體操動(dòng)作 ”，看完之后，小編整個(gè)人都覺(jué)得震驚了，這種一般人都不一定做得來(lái)，一個(gè)機(jī)器人居然做的如此輕松。

　　2017年11月16日，一段Atlas跳躍、旋轉(zhuǎn)、后空翻的視頻幾乎驚艷了整個(gè)機(jī)器人圈，各大媒體紛紛做了報(bào)道。

　　BD的這段視頻可以說(shuō)是冰凍三尺非一日之寒，不信的話，你去看看這段視頻：let robot in MIT 麻省理工學(xué)院 腿實(shí)驗(yàn)室的早期作品 單足 雙足 四足 跳躍機(jī)器人，更多研究成果和視頻可以看：MIT Leg Laboratory。這個(gè)是三十年前的故事，若想了解如今的BD，看看這個(gè)網(wǎng)站：Boston Dynamics is changing your idea of what robots can do. | Boston Dynamics。

　　近幾年BD的產(chǎn)品還是很多的，包括Handle、SpotMini、Atlas、Spot、LS3、WildCat、BigDog、SandFlea和RHex，詳情見(jiàn)Boston Dynamics | Boston Dynamics。知乎中也有大神講解了波士頓動(dòng)力是一家什么性質(zhì)的公司？。

　　BD是Marc Raibert（Marc Raibert - Wikipedia）離開(kāi)MIT LegLab之后創(chuàng)立的公司，Marc Raibert于1980年在CMU創(chuàng)建了Leg Lab，1986年離開(kāi)CMU，去了MIT，直到1995年。1992年，他創(chuàng)建了Boston Dynamic，a simulaTIon and roboTIcs company。在創(chuàng)建公司之后，他們服務(wù)過(guò)包括美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在內(nèi)的很多軍方機(jī)構(gòu)，甚至獲得了國(guó)防部幾千萬(wàn)美金的投資。此時(shí)，BD與Gill Pratt有分不開(kāi)的聯(lián)系，Gill Pratt是Marc Raibert的學(xué)生。而Gill Pratt是前DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽的負(fù)責(zé)人，因此BD一直得到DARPA的投資也是情理之中。BD于2013年被谷歌收購(gòu)，但是2016年傳出豐田要接手谷歌旗下的BD的消息（豐田接手谷歌旗下波士頓動(dòng)力６大原因 -百家號(hào)），這個(gè)時(shí)候Gill Pratt離開(kāi)了DARPA，是豐田研究院（TOYOTA Research InsTItuTIon，TSI）的負(fù)責(zé)人。后來(lái)消息不了了之。2017年，BD被軟銀（SoftBank）收購(gòu)。

　　書歸正傳，在大概了解的BD后，下面回顧下Atlas的經(jīng)典動(dòng)作-后空翻。

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　　在介紹Atlas后空翻的技術(shù)之前，先來(lái)介紹些預(yù)備知識(shí)。

　　1. Atlas屬于Limbed system（Spring Handbook of Robotics的P419-441）的一種類型，貼幾張圖片吧。

　　2. 進(jìn)一步細(xì)化，Atlas屬于Legged Robots（Spring Handbook of Robotics的P1203-1263）。

　　Altas的難點(diǎn)并不是后空翻這個(gè)動(dòng)作，難點(diǎn)是在后空翻前的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和接觸地面后的控制（例如如何保持平衡，如何控制接觸力等）。（One of the major difficulties in making a legged robot walk or run is keeping its balance： where should the robot place its feet， how should it move its body in order to move safely in a given direction， even in case of strong perturbations？ This difficulty comes from the fact that contact forces with the environment are an absolute necessity to generate and control locomotion， but they are limited by the mechanical laws of unilateral contact）。

　　1）The Dynamic of Legged Locomotion

　　Atlas最為關(guān)鍵的是動(dòng)力學(xué)建模，一般根據(jù)Lagrangian和Newton and Euler建立模型，來(lái)一段貼圖：

　　上面的這段話可以解釋后空翻實(shí)際并不難，下面來(lái)解釋：

　　在Flight Phases，Atlas并沒(méi)有與環(huán)境接觸，因此沒(méi)有任何的接觸力f_i，此時(shí)牛頓方程簡(jiǎn)化為：

　　在空中的過(guò)程實(shí)際是個(gè)拋物線運(yùn)動(dòng)，因此沒(méi)有辦法在空中改變Atlas的運(yùn)動(dòng)。上式中的歐拉公式可以簡(jiǎn)化為：

　　在這種情況下，Atlas既可以控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，也可以控制整體的旋轉(zhuǎn)，前提是在落地之前。

　　綜上所述，在空中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，Atlas無(wú)法改變運(yùn)動(dòng)，但是可以改變姿態(tài)，也就是后空翻或是前空翻等復(fù)雜動(dòng)作，只要在落地之前完成動(dòng)作即可，當(dāng)然跳以前也需要做步態(tài)和運(yùn)動(dòng)等的規(guī)劃。

　　2）In Contact with the Ground

　　接觸面包括了 flat ground 或是 multiple surfaces等，視頻中的接觸面近似flat，若是multiple surfaces，在控制上將會(huì)更為復(fù)雜。

　　無(wú)論是什么樣的接觸面，Atlas與地面接觸時(shí)的瞬間接觸力是非常大的，因此對(duì)電機(jī)有非常高的要求，BD很聰明，選用了液壓伺服控制。若是電機(jī)的話，可能分分鐘爆掉。即使是液壓伺服控制，也要考慮主動(dòng)或是被動(dòng)柔順的控制。

　　個(gè)人覺(jué)得落地后的平衡相比于walk或是run的平衡相對(duì)簡(jiǎn)單，若是能將walk或是run過(guò)程中的平衡控制好，也許落地后的平衡相對(duì)較為容易，但是在跳躍之后與地面接觸時(shí)的力控制就變成了難點(diǎn)。

　　在空中的時(shí)間設(shè)計(jì)尤為重要，若是時(shí)間較短，Atlas完不成空翻動(dòng)作；若是時(shí)間較長(zhǎng)，Atlas需要不停地調(diào)整姿態(tài)，以保證在接觸地面前做好平衡的動(dòng)作。

　　當(dāng)然整個(gè)過(guò)程沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，下面給出參考文獻(xiàn)，有興趣的朋友可以精讀下面的內(nèi)容（Spring Handbook of Robotics的P1206-1263）。

　?、?In Contact with a Flat Ground：The Center of Pressure. In Contact with Multiple Surfaces.

　　② Contact Models.

　?、?Compliant Contact Models.

　　④ Rigid Contact Models.

　?、?Hybrid and Nonsmooth Dynamics.

　　⑥ Stability Analysis - Not Falling Down.

　?、?Generation of Dynamic Walking and Running Motions.

　　⑧ Motion and Force Control.

　?、?Towards Move Efficient Walking.

　　⑩ Diffenert Contact Behaviors。

　　內(nèi)容實(shí)在是太多，不可能通過(guò)一篇文章解釋清楚，所以只給出了大概的解釋和內(nèi)容，起到拋磚引玉的效果。