導(dǎo)讀

瑞士著名蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員介紹了一種名為ANYmal的四足輪腿式機(jī)器人，以及一種整體模型預(yù)測控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對其的有效控制。結(jié)合了輪式機(jī)器人與足腿機(jī)器人的特點(diǎn)及優(yōu)勢，輪腿式機(jī)器人可以更好的應(yīng)對陌生且具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，同時(shí)輪子的應(yīng)用使得其運(yùn)動(dòng)更加高效，相較于腿式機(jī)器人，其優(yōu)勢顯著。該整體模型預(yù)測控制器已經(jīng)成功應(yīng)用在AMYmal上，實(shí)驗(yàn)表明，四足輪腿式機(jī)器人ANYmal首次具有協(xié)調(diào)非周期性行為的能力，從而可以降低任務(wù)運(yùn)輸?shù)目偝杀尽ＬK黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員在2020年將該研究成果提交到arXiv預(yù)印本網(wǎng)站。

輪腿式機(jī)器人

在工業(yè)設(shè)施中，四足機(jī)器人的應(yīng)用正在變得越來越普遍。能在我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹礁嗟倪@類機(jī)器人只是時(shí)間問題。顯然，當(dāng)前四足機(jī)器人的流行正在加速這一進(jìn)程。足腿機(jī)器人可以全向移動(dòng)并通過跨步或跳躍和著陸來越過復(fù)雜障礙物，面對陌生復(fù)雜地形，該類機(jī)器人依然可以較好應(yīng)對，但是商業(yè)產(chǎn)品仍然缺乏其輪式同類產(chǎn)品的速度、效率和可靠性，也正因此，對足腿機(jī)器人的研究大多在實(shí)驗(yàn)室中。而對輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力的研究則更少了。

某六足腿機(jī)器人

輪子是人類文明的偉大發(fā)現(xiàn)之一。輪子的發(fā)現(xiàn)，極大的提高了人類在某些條件下的運(yùn)動(dòng)、運(yùn)輸效率，輪子也因此被廣泛應(yīng)用并具有較大的優(yōu)勢。然而，我們自鳴得意的輪子優(yōu)勢并沒有持續(xù)很長時(shí)間，機(jī)器人對輪子的熟練程度正迅速提高，而且大大超出了我們的想象。

設(shè)想以下兩種情況：人類穿上溜冰鞋；機(jī)器人裝上驅(qū)動(dòng)輪。兩者之間最大的區(qū)別在于，通過對機(jī)器人適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，其可以實(shí)現(xiàn)對輪子的有效控制，而這是人類永遠(yuǎn)無法比擬的。

古代車輪

結(jié)合輪子運(yùn)動(dòng)的高效和足腿機(jī)器人較好應(yīng)對陌生復(fù)雜環(huán)境的能力，輪腿機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)方向，具有極大的研究潛力。著名的波士頓動(dòng)力（Boston Dynamics）的機(jī)器人Handle是典型的輪腿式機(jī)器人，而且其已經(jīng)顯示出了對輪子的控制能力。

不過，波士頓動(dòng)力的Handle似乎還沒能充分利用它所擁有的優(yōu)勢。在輪腿機(jī)器人領(lǐng)域，研究學(xué)者們更多嘗試進(jìn)行新穎的簡化操作，以捕捉混合運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)，即同時(shí)行走和駕駛。但是，附加的自由度使這些簡化的模型難以設(shè)計(jì)。額外的自由度和自然界中缺少的同類學(xué)習(xí)使輪足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。

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波士頓動(dòng)力Handle

瑞士著名蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員則對輪腿機(jī)器人進(jìn)行了深入研究，提出了一種整體模型預(yù)測控制器，同時(shí)優(yōu)化車輪和軀干運(yùn)動(dòng)。該控制被應(yīng)用到ANYmal輪腿機(jī)器人上，并取得了很好的控制效果，相關(guān)研究成果已經(jīng)被提交到arXiv預(yù)印本網(wǎng)站。

ANYmal的四個(gè)輪子分別與它的四個(gè)腿部連接，運(yùn)動(dòng)過程中，四個(gè)輪子和與之連接的四個(gè)腿部在它進(jìn)行的每個(gè)動(dòng)作中都無縫地融合在了一起。這使得它既有輪子的高效運(yùn)動(dòng)特性，同時(shí)兼顧了應(yīng)對陌生復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)能力。

ANYmal四足機(jī)器人（無輪）

ANYmal四足輪腿機(jī)器人（有輪）

控制策略

研究人員提出的控制策略流程圖如下圖所示：

控制策略流程圖

首先由人通過操縱手柄，給出指令運(yùn)動(dòng)，而后經(jīng)過步態(tài)序列生成器得到步態(tài)序列，然后利用模型預(yù)測控制規(guī)劃出期望的運(yùn)動(dòng)，最后通過跟蹤控制器實(shí)現(xiàn)對ANYmal的有效控制。

相比于現(xiàn)有的方法，整體模型預(yù)測控制方法可以大大降低空間位置預(yù)估誤差。

整體模型預(yù)測控制方法預(yù)估位置誤差

現(xiàn)有方法預(yù)估位置誤差

由于基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型對關(guān)節(jié)速度和地面反作用力進(jìn)行了實(shí)時(shí)優(yōu)化，因此該方法可以準(zhǔn)確地捕獲真實(shí)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，并通過啟發(fā)式方法自動(dòng)發(fā)現(xiàn)繁瑣的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。非周期性的步態(tài)序列可通過運(yùn)動(dòng)的腿部實(shí)用程序自動(dòng)找到，而無需預(yù)先定義的接觸和提起時(shí)間。這能夠大大降低輪足機(jī)器人的運(yùn)輸成本。

研究人員進(jìn)行了多種環(huán)境下運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，ANYmal可以順利完成上樓梯的功能，通過室內(nèi)不同形狀障礙物的功能。

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ANYmal四足輪腿機(jī)器人上樓梯

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ANYmal四足輪腿機(jī)器人過室內(nèi)障礙物

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ANYmal四足輪腿機(jī)器人室內(nèi)過障礙物

研究人員進(jìn)行了快速前后換向運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明ANYmal可以實(shí)現(xiàn)±2m/s速度的快速切換。

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ANYmal四足輪腿機(jī)器人前后換向運(yùn)動(dòng)

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ANYmal四足輪腿機(jī)器人跳舞

通過抬起某兩條腿的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明ANYmal可以保證自己身體平衡穩(wěn)定。

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ANYmal四足輪腿機(jī)器人平衡

除了室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，研究人員還將ANYmal帶到室外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。全方面的實(shí)驗(yàn)表明，在具有挑戰(zhàn)性的室內(nèi)和室外環(huán)境中，帶有不可轉(zhuǎn)向輪的四足機(jī)器人具有極好的動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)性能。

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ANYmal四足輪腿機(jī)器人室外運(yùn)動(dòng)

這里最酷的事情是ANYmal可以動(dòng)態(tài)選擇最佳混合步態(tài)，將輪子滾動(dòng)和足腿踏步運(yùn)動(dòng)融合在一起。只根據(jù)車輪下方地形的感覺來進(jìn)行“盲目”操作，而無需任何相機(jī)或激光雷達(dá)輸入。如果車輪不再有效，則控制器會(huì)將那條腿切換為踏步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持與其他腿部的協(xié)調(diào)。總體而言，這使得ANYmal能夠更快地移動(dòng)，而不會(huì)降低其應(yīng)對具有挑戰(zhàn)性的地形的能力，并降低了運(yùn)輸成本，因?yàn)闈L動(dòng)比步行更有效。

總結(jié)與展望

一種新穎的步態(tài)序列生成器和整體模型預(yù)測控制器被設(shè)計(jì)用于四足輪腿機(jī)器人。該步態(tài)序列生成器不再需要預(yù)先定義的接觸和提離時(shí)序序列。而整體模型預(yù)測控制器可以在單個(gè)任務(wù)中確定機(jī)器人的軀干和車輪運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型同時(shí)優(yōu)化實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)速度和地面反作用力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法提高了模型的準(zhǔn)確性，并使機(jī)器人能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)復(fù)雜且高度動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)，而這些運(yùn)動(dòng)是無法通過手動(dòng)調(diào)整的啟發(fā)式方法找到的。這也是四足輪腿式機(jī)器人ANYmal首次具有協(xié)調(diào)非周期性行為的能力，這降低了運(yùn)輸任務(wù)的總成本。

在未來的工作中，計(jì)劃將接觸時(shí)間的優(yōu)化功能整合到整體模型預(yù)測控制器中。最大的挑戰(zhàn)仍然是該方法的在線執(zhí)行問題。