能爬楼可下山——如何开发一个灵巧的四足机器人？

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在自然环境中四足动物灵活的运动方式使之能轻松穿越各种复杂多样的地形，迄今为止许多研究人员通过设计复杂的控制框架从而让四足机器人拥有相同的运动技能。

相较于轮式机器人而言，四足机器人仅凭离散的立足点就能通过非结构化地形，这一特性更加贴合实际应用场景的需求，同时这也使得四足机器人的研究成为机器人领域热点之一，例如：军事行动、灾后救援、电力巡检甚至休闲娱乐等。

然而要复现四足动物灵活而稳定的运动技能是一项极具挑战的任务，四足机器人需要在面对不同环境时自主地选择运动方式从而保持稳定性，这要求控制系统兼顾智能、鲁棒、可扩展等特性。

最初始阶段多数控制框架的开发都基于传统控制理论，近年来随着强化学习、深度学习等技术的快速发展，逐渐开始涌现大量基于学习的控制和基于传统控制和学习的分层控制的方法。

基于以上的控制方法国内外对于四足机器人的研究都已取得了一定成果，包括实现四足机器人以低速、中速、高速状态稳定运动；四足机器人以特定步态通过斜坡、楼梯、碎石地等具有挑战性的复杂地形；四足机器人结合不同类型传感器对环境的感知实现一定的导航功能；四足机器人作为移动载体结合机械臂完成指定任务。

虽然现存研究在一定程度上实现了四足机器人的自适应性稳定运动，但要满足实际应用场景中的复杂需求，对于四足机器人的规划控制还有很大的上升空间。

对于算法的验证需要先在相对受控的仿真环境进行，然后再进行模拟到真实的迁移以降低真实机器人的损坏率。

一个稳定且易扩展的仿真控制平台能够让研究人员将注意力放在关键算法的开发以及快速验证，而不用花费大量时间搭建平台，因此设计一个易用、稳定、可扩展性强的四足机器人仿真平台是非常必要的。

随着控制技术、通信技术、能源技术和材料技术的飞速发展，四足仿生机器人逐步实现了高灵巧、多用途和轻量化，并向着高智能化方向迈进， 在我国公共安全、巡检作业、探测搜救等应用领域都具有重大应用前景和产业需求。

本次【四足仿生机器人圆桌论坛】联合了深谷学院技术团队、华师大华为机器狗研发团队、华为海思杜鹏博士等技研专家，在线解析四足机器人的仿真开发全过程、算法分享及实例应用等。

▍腿足机器人的核心技术探究

科技创新的三驾马车是需求牵引、问题导向和技术推动，人类生活对机器人的现实需求是毋庸置疑的，而对机器人产业发展影响更大的则是关键技术瓶颈的突破与否，智能才是机器之道。

步态动态稳定控制技术

仿生工程学按照发展脉络，可以分为形态仿生、结构仿生、功能仿生和耦合仿生四个阶段。四足仿生机器人的结构设计灵感来自于四足动物，但其仿生效果的优劣，关键在于能否像四足动物一样灵活运动。

目前，四足仿生机器人可根据不同地形环境，在走、跑、跳、攀爬等多种运动模式间灵活切换，且具有较强的奔跑、爬坡、越障、 跳跃等运动能力，这得益于当前四足机器人大多采用的多步态动态稳定控制技术，其主流思想是：针对地形环境突变或外界突发扰动，基于虚拟伺服控制建立机身本体位姿控制模型，基于力分配原理建立关节驱动控制模型，分析移动平台与多类型地面的作用关系，最终采用力反馈原理和滑移率闭环实现自主平衡控制。

智能机器人的步态及稳定性技术经过多年的发展，主要形成以中枢神经振荡 CPG 模 型、弹簧负载倒立摆 SLIP 模型、基于模型预测控制模型 MPC、整体控制模型 WBC 为主要方向。近年来，随着人工智能技术的发展， 基于机器学习的动物行为迁移网络控制模型得到重视，相关技术发展迅速。美国波士顿动力公司以弹簧负载倒立摆SLIP模型为特色， 开发大量仿生机器人；美国麻省理工大学以整体控制模型WBC和基于模型预测控制模型 MPC 相结合的方法，开发出猎豹系列机器人；瑞士苏黎世理工大学以机器学习为特色技术，开发出Anymal 系列四足机器人。目前，智能机器人控制正在从多种融合算法及人工智能技术，向自演进、可学习控制方向发展。

摆动腿落足点规划技术

为提高四足机器人对障碍物的通过性能和任务执行效率，要求四足机器人在基于感知传感器实现对环境的认知后，可以对越障行为进行智能决策。通过对摆动腿落足点的实时规划，打破周期性、节律性运动难以适应复杂环境与地形突变的桎梏，真正实现机器人的智能化。

为提高四足机器人对障碍物的通过性能，避免足端与障碍物发生碰撞，四足机器人需依靠环境感知信息实现对障碍物的测量，根据障碍物的实际尺寸，建立虚拟障碍物，并根据虚拟障碍物的边缘信息以及障碍物的尺寸，智能调整行为节律，提高四足机器人对地形障碍的通过性能。

目前，四足机器人最常用的足端轨迹是根据正弦曲线规划而来的，难以对轨迹中间的速度加以限制，而且在非理想路面上行走时，难以进行分段变化的复杂曲线拟合以及落足点的变动规划，进而增大了机器人的不稳定性。另一种方法是采用高阶贝塞尔曲线拟合，贝塞尔曲线只需要很少的控制点就能够生成复杂平滑曲线，同时能够对足端运动速度、加速度进行规划，控制简便却具有极强的描述能力，适合于空间复杂分段路径的规划。在根据足端轨迹控制点规划出足端在空间的运动轨迹后，可以根据腿部逆运动学解算出关节转角，由此实现四足仿生机器人的基本控制。

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