四足机器人研究总览

前言：本文由机械狗社区群友怀志必有为梳理，首发于他的个人微信公众号四足驿站，本文未以液压和电动的不同驱动方式对四足机器人进行分类，以期未来四足机器人的特点能够融合液压和电动的双重优点，更好地服务人类。

        美军1967年的一个研究报告指出：多数车辆因其轮、履式的底盘方式受限于自然界的许多地形，而这些地形对很多四足动物的行走自如没有产生太多困扰。它们的落足点离散不受障碍的限制、腿部的肌肉能够减振降噪、躯干的脊柱能够缓冲并传递能量等等，无疑使它们在自然界的生物进化中立于不败之地。

       近年来，随着驱动技术、增材制造、逆向工程和智能控制等技术的高速发展，适应不同地形并能实现灵活机动的四足机器人成为新的研究热点。经过了近60年的发展，四足机器人已经完成了从概念向理论样机、实验样机、物理样机的转变，部分已经商业化。

       接下来对国外四足机器人领域的研究团队作一个简单介绍：

01

波士顿动力 Boston Dynamics

负责人：Marc Raibert

网    站：https://www.bostondynamics.com/

       波士顿动力公司是一家美国工程和机器人设计公司，成立于1992年，因其在美国DARPA计划资助下为军方开发BigDog而闻名。

       1992年，公司从麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）分拆;

       2013年12月13日，被Google X收购;

       2017年6月9日，软银公司以不公开的条款收购谷歌母公司Alphabet旗下的波士顿动力公司。

机器人军团:BigDog、Alpha Dog、LS3、Cheetah、WildCat、Spot、SpotMini、Littledog:

1、BigDog——第一台先进的复杂地形机器人

        在美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助下，联合Foster-Miller，喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）和哈佛大学康科德电场站（Harvard University Concord Field Station），于2005年研制的BigDog四足机器人。原希望它能够作为一个机器人驮骡子来陪伴士兵在复杂地形、车辆无法通行的情况下使用，但BigDog被认为噪声太大，体积过大等原因无法用于战斗，后被搁置。但不可否认其在近现代四足机器人的发展史上的里程碑意义。

2、SpotMini——灵活的机器人，处理物体，爬楼梯，并能在办公室，家庭和户外运作。

       波士顿动力公司推出的SpotMini，其重量仅为25千克（55磅），一次充电后机器人可运行约1.5h，Spot Mini是Boston Dynamics发布的最安静的机器人之一。目前YouTube上SpotMini的视频播放量接近5000万次，它利用加装的机械爪开门、起身等动作给人留下深刻的印象，其在火星哥Uptown Funk背景音乐下的舞姿更是令人惊叹。

         2018年，波士顿动力CEO Marc Raibert首席执行官宣布SpotMini机器人正在预生产并准备在2019年投入商用。波士顿动力公司在其网站上强调，SpotMini是“建造的最安静的机器人”。该公司表示，它计划与合同制造商合作，在今年晚些时候以商业为目的构建首批100台SpotMinis，并开始扩大生产规模，目标是在2019年销售SpotMini。

3、WildCat——世界上最快的四足机器人

       WildCat机器人是世界上运行速度最快的四足机器人，由DARPA的Maximum Mobility and Manipulation项目提供资金，实现了高速下的Bound步态和Gallop步态奔跑，实验室跑步机上的速度为48km/h，实验室外速度为32km/h。

       WildCat由甲醇燃烧发动机驱动，驱动液压驱动系统，机器人使用各种步态，包括小跑，跳跃和奔跑，以在相对平坦的地形上跑步和操纵时保持其平衡。车载计算机使用动态控制算法和各种传感器（IMU，地面合同，本体感受，视觉测距）来控制和稳定运行动作。WildCat使用一套激光测距仪来精确测量机器人在地面上的高度和姿态。

4、LS3——队伍支持系统，新时代的“木牛流马”

      LS3由DARPA和美国海军陆战队资助。Boston Dynamics组建了一支非凡的团队来开发LS3，包括波士顿动力公司，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon），喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory），贝尔直升机公司（Bell Helicopter），AAI Corporation和Woodward HRT公司的工程师和科学家。

        LS3被设计用于任何地形的海军陆战队和士兵步行伴侣，帮助承担他们的负重。LS3可以携带182公斤的装备和足够的燃料，持续24小时的32公里任务。（在平地测试中，LS3最高纪录可携带超过500公斤有效载荷）。LS3使用计算机视觉自动跟踪其领导者，因此它不需要专用驱动程序。它还使用地形感测，避障和GPS，前往指定地点。

5、Spot——出色的地形移动性和稳定性

       和Spotmini没太大关系，Spot是一款专为室内和室外操作而设计的四足机器人。Spot采用电动和液压混合驱动。它利用激光雷达和立体视觉以及一套车载传感器来感应其崎岖的地形环境，以保持平衡并协调崎岖的地形。

       Spot机器人负重能力不如波士顿动力的前几款机器人，23kg左右，但其运行噪声更低，噪音分贝明显低于全程嗡嗡作响的WildCat和LS3。结构更紧凑，运动灵活性更高，形象更俊朗，能够安然在办公室、草地、小山坡上漫步或小跑，也学会了自如地爬楼梯，在受到测试员的重踹之下，能够及时调整，稳当地站立在地面上。

      目前，位于弗吉尼亚州的海军陆战队作战实验室(War fighting Lab)已经对Spot机器人在城市街道、森林田野等环境下进行了极其严苛的测试，极限续航可达45分钟，效果喜人。

02

意大利技术研究院（IIT）

动态腿足系统实验室

（Dynamic Legged System，DLS）

负责人：Claudio Semini

网    站：https://dls.iit.it/

      意大利技术研究院从2007年春开始在负责人Claudio Semini的带领下从一条单腿开始设计研究，在2015年西雅图的ICRA的会议上，他们展览了一系列的相关产品，小型液压缸、微小型控制器以及腿足的协调解决方案。2010年，经历了HyQ V1.0、V1.1、V1.2三代机器人的更迭，对外公布了HyQ(Hydraulically Actuated Quadruped)机器人，机器人由外部液压站提供动力，完全伸展时，高度接近1m。机器人总重100kg，全身共12个自由度，单腿具有3个自由度，侧摆关节由高性能扭矩电机驱动，髋关节和膝关节由定制的液压缸驱动。

      团队通过多年的深耕，在结构设计、液压系统仿真、整机测试等方面做出了巨大的贡献，成为业界仅此于波士顿动力的四足机器人平台。2013年，改进了髋关节驱动器、液压系统、电子元件，第三代HyQ被命名为HyQ-blue。

       在借鉴前述样机的基础上，历时7年，2015年DLS公布了新一代四足机器人—HyQ2Max，后改进为HyQ2Real，HyQ2Real重80kg，全液压驱动，令人惊叹的是它可以拖动3吨的飞机。无需外接动力源供给能量，机器人腿部完全伸展时，长度为1.2m，高度为0.9m。和前几代机器人相比，在负载特性、动态特性、结构集成等方面都有较大的改进。

       2016年初，HyQ-Centaur雏形开发完成，该版本在四足本体上加装一个液压机械臂，完成一定的作业任务，该项目最终目标是安装双臂。

      DLS在液压四足机器人上的进展离不开MOOG公司，双方也于2016年2月建立联合实验室，共同开发用于自主机器人的下一代驱动和控制技术。

      此外，DLS团队和苏黎世联邦理工学院在机器人建模、控制和机器学习领域具有强大的研究合作关系。HyQ的副本已于2013年夏天出售给苏黎世联邦理工学院。双方在HyQ-Centaur液压机械臂的控制上也有合作。

03

宾法尼亚大学 Grasp Lab 

 Ghost Robotics

负责人：Jiren Parikh

网站：https://www.ghostrobotics.io/

https://www.grasp.upenn.edu/startups/ghost-robotics

       Ghost Robotics开发了直驱式（无齿轮）四足机器人，用于瞬时和高精度力反馈应用，提供了优于轮式和履带机器人的可操作性。能够承载一定的载荷，用于公共安全，SAR，勘探，采矿，野外勘测，农业，军事以及其他未知，崎岖、变化甚至垂直地形的应用。

       该公司很早便实现了四足机器人的商业化，Ghost Minitaur机器人的销量喜人，并且已经运往卡内基·梅隆大学，宾夕法尼亚大学，华盛顿大学，美国陆军研究实验室和谷歌等全球顶级机器人研究团队，用于广泛的研究和商业化计划。此外，也和牛津大学机器人学院（ORI）合作密切。

04

麻省理工学院

Biomimetic Robotics Lab

负责人：Sangbae Kim

网    站：http://biomimetics.mit.edu/

       Biomimetic Robotics Lab的负责人Kim出生于韩国首尔，毕业于延世大学机械工程专业，中间服兵役2年，兵役后继续学习并参加了Design and Manufacturing班，为他日后从事机器人技术的研究埋下了种子。后来去斯坦福大学攻读研究生，之后到哈佛大学开展博士后研究，并与2009年加入MIT机械工程系，建立了仿生机器人实验室（Biomimetic Robotics Lab）。

       该团队目前主要的研究载体为高扭矩密度的执行器、Hermes (远程操控的双足机器人)、风靡一时的mini cheetah和cheetah 2代机器人。基于上述研究平台开展模型预测控制、力传感器、动态控制、元件设计、仿生结构设计等。

   MIT仿生机器人实验室先后研制了几代猎豹机器人，都引起了较大的反响。

        2019年3月初推出的全球首个实现后空翻的四足机器人 Mini Cheetah 风靡一时，机器人重9kg，四肢可自由弯曲并以每秒 2.45 米的速度前进。它可以横向移动、跳跃、自动从摔倒中爬起，在无视觉辅助的情况实现后空翻，具有划时代意义。

05

瑞士苏黎世联邦理工学院

ETH Zurich ANYbotics

ETH Zurich ANYbotics

负责人：PÉTER FANKHAUSER

网    站：https://www.anybotics.com/company/

        ETH Zurich(瑞士苏黎世联邦理工学院)是享誉全球的世界顶尖研究型大学，连续多年位居欧洲大陆高校翘首，享有“欧陆第一名校”的美誉。负责人Péter在苏黎世联邦理工学院获得博士学位，为挑战性环境中的腿足机器人开发了感知和运动计划算法。该公司的其他技术骨干也来自苏黎世联邦理工学院。

       ANYmal是一款四足机器人，专为在挑战性环境中自主运行而设计。该系统由特殊的顺应性和精确的扭矩可控执行器驱动，能够动态行驶和高机动攀爬。得益于内置的激光传感器和摄像头，该机器人可以感知其环境，从而连续创建地图并精确定位。基于此信息，它可以自主计划其导航路径并在行走时仔细选择立足点。

       ANYmal的应用场景和其他四足基本相同，唯一不同的是它的构型可变（不同的构型影响很大，后续的文章会详细介绍），此外，ANYmal可以自主回仓充电，可以配备各种传感设备，例如光学和热像仪，麦克风，气体检测传感器和主动照明等。

06

其他四足研究团队

1. 斯坦福大学学生机器人俱乐部的“Extreme Mobility”团队开发了Doggo四足机器人，也可以后空翻，此外能完成一些复杂的技巧，以及穿越具有挑战性的地形。最重要的是，团队将所有的技术文档开源，几乎所有组件都可以在网上买到，成本在3万元左右，为爱好者们提供了很好的参考。

2. ETH Zurich and ZHAW Winterthur的12名学生组建的Space Bok团队，取名意在“探索太空”，但是从公布的视频可以看出，Space Bok大量使用碳纤维，弹跳能力不俗，整体的科技感十足。

3. 日本东京工业大学、美国俄亥俄州立大学、韩国工业技术研究院等众多团队都有不错的Demo和论文公布，不作一一介绍。

       以上就是国外著名四足机器人研究团队的介绍，可以看出四足机器人热潮已经开始，让我们一起努力，让四足机器人早日在重大疫情或者灾难面前成为中流砥柱，具有更大的应用前景！

图片引用来源

[1].https://www.bostondynamics.com/

[2].https://dls.iit.it/

[3].https://www.ghostrobotics.io/

[4].http://biomimetics.mit.edu/

[5].https://www.anybotics.com/company/

[6].https://www.youtube.com/