瑞士ANYbotics公司研發(fā)輪足復(fù)合式移動機器人

對于大多數(shù)機器人粉來說，提到四足機器人，相信許多人首先想到的首先是波士頓動力的機器人狗。

波士頓動力創(chuàng)立于 1992 年，是全世界腿足機器人的先驅(qū)者。在四足機器人領(lǐng)域，瑞士公司 ANYbotics 是波士頓動力的有力競爭對手，ANYbotics 的 ANYmal 一直是完全不輸波士頓動力 SpotMini 機器狗的存在。

ANYbotics 由一群蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師于 2016 年成立。它是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機器人系統(tǒng)實驗室（RSL）的衍生公司，因推出機器人 ANYmal 而聞名。

ANYmal 此前已經(jīng)推出能行走的無輪版本四足機器人，它靠四條機械腿行走，能穿越不平坦的地形，也能爬樓梯。最近研究團隊就為機器人添加了一組實用的輪子。

據(jù)悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團隊自 2018 年以來一直在與 ANYbotics 公司實驗輪式機器人，在新的原型中，研究人員為機器人的每只腳裝上四個裝有輪轂電機的輪子。

這種輪足復(fù)合式移動機器人結(jié)合了輪式機器人在平坦路面上的高效率，和足式機器人在崎嶇路面上的越野能力。

穿著輪滑鞋的人和輪子驅(qū)動的機器人之間有一個關(guān)鍵的區(qū)別，如果設(shè)計得當(dāng)，機器人可以對輪子施加控制，其細微的差別是人類永遠無法比擬的。我們已經(jīng)在波士頓動力公司的兩輪人形機器人 Handle 上看到了這一點，盡管到目前為止，Handle 似乎還沒有充分利用它的這雙有腿的潛力。

“輪子機器人”可像溜冰一樣滑動

此前波士頓動力為開發(fā)市場，給 Handle 輪式機器人已經(jīng)定下方向。而對于輪式機器狗的探索任務(wù)，則落在 ANYmal 等創(chuàng)業(yè)團隊身上。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 ANYmal 的研發(fā)團隊很早就給他們的機器狗裝了四個輪子。當(dāng)時只公布了這四只腳底的輪子能夠像溜冰一樣滑動，還會在震動環(huán)境下匍匐前進。

此外，ANYmal 能在保持身體重心的情況下，過 “單邊橋”。

最近，該團隊就這款機器人發(fā)布了更多視頻，證明輪足版 ANYmal 的已經(jīng)更加成熟和穩(wěn)定。不過，裝有固定輪子的 ANYmal 并沒有喪失作為腿足機器人的步行能力，它依然能在 “穿著輪滑鞋” 的前提下步行完成一些移動、調(diào)整方向等任務(wù)。

據(jù)相關(guān)研究人員介紹，帶輪子的 ANYmal 與其他輪足式機器人相比，能實現(xiàn)更強大的動態(tài)運動，運輸成本上還可降低 83％，與其腿式機器人相比有明顯的優(yōu)越性。

在 2019 年的 DARPA 機器人地下挑戰(zhàn)賽中，ANYmal 腳踩 “風(fēng)火輪”，跨越障礙的能力非常強。這意味著，它跨越障礙的能力比輪式機器人強，同時又比腿式機器人走得快，當(dāng)時，研究人員表示它是全球首個應(yīng)用在實際任務(wù)中的輪式 - 腿式混合驅(qū)動機器人。

在最近公布的視頻中，ANYmal 輪足機器人四個腿部和四個輪子與它進行的每個動作已經(jīng)無縫地融合在一起，研究人員還設(shè)計了能在車輪模式和行走模式之間切換的算法，ANYmal 的速度和穩(wěn)定性也得以提高。

輪子和腿加在一起會產(chǎn)生什么作用？

要了解為什么輪子和腿加在一起會對機器人的移動性產(chǎn)生如此大的改變，我們可以看看是如何運作的。

圖 | ANYmal 輪足機器人展示最佳混合步態(tài)

這種輪足機器人不僅能夠成功克服斜坡、樓梯等輪式機器人的障礙，而且在速度上也超過了四足機器人。

ANYbotics 公司的四足機器人 ANYmal C 能夠在動態(tài)人類環(huán)境中高度自主地執(zhí)行任務(wù)。還具有同步定位和地圖繪制（SLAM）功能，并且可以部分避免意外的障礙，這是因為其立體光學(xué)攝像頭可提供 360 度視野的深度信息，激光雷達系統(tǒng)可提供額外的環(huán)境數(shù)據(jù)，并給機器人在 100 米范圍內(nèi)導(dǎo)航。

而這次的輪足版 ANYmal 是一個 “盲眼” 機器人，不需要任何攝像頭或激光雷達，就可以動態(tài)選擇最佳的混合步態(tài)，將輪子滾動和腿的踏步的融合，只是根據(jù)對車輪下的地形的感覺，它可以根據(jù)每條腿的輪子運動的效用，在滾動和步態(tài)之間無縫轉(zhuǎn)換。

如果一個輪子效率不高，車載傳感器和運動計劃微控制器可以選擇性地控制每個車輪的扭矩，將這條腿切換到踏步運動，同時保持與其他腿的協(xié)調(diào)?？偟膩碚f，這使得 ANYmal 的這種輪足機器人移動速度更快，而不會降低其應(yīng)對復(fù)雜地形的能力，并且降低了運輸成本，因為滾動比步行的效率高得多。該機器人可以在達到 4 米 / 秒的速度下實現(xiàn)高度動態(tài)的運動，作為對比，已經(jīng)開始對外銷售的四足無輪機器人 ANYmal C ，移動速度為 1 米 / 秒。

圖 | ANYmal C

ANYmal 機器人還能夠根據(jù)特定的情況切換腿部 / 輪子的運動方式：它可以根據(jù)輪子上的電力 “安培” 或是否有障礙物來切換到腿部運動。這款機器人也是非常小巧，保持了與其他四足機器人相似的外觀。

圖 | 早期原型，會滑冰的 ANYma

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Marko Bjelonic 是負責(zé)這次研究的科研人員之一，他表示他們可以做到通過程序自動找到周期性步態(tài)序列，而不需要預(yù)先定義步態(tài)時序。根據(jù)機器人當(dāng)前的情況，每條腿都能自行推理出何時是抬離地面的好時機，這種方法在崎嶇不平的地形中效果相當(dāng)好。

關(guān)于未來是否會為這種輪足機器人裝飾傳感器來識別地形，Marko 表示這次提交的論文只是基于機器人本體感覺信號，即沒有使用地形感知來根據(jù)環(huán)境進行步態(tài)轉(zhuǎn)換。他們很驚訝這個框架在平坦和不平坦的地形上都已經(jīng)有了很好的效果。但他們目前正在研究一種擴展，即在前期根據(jù)地形，讓機器人規(guī)劃步態(tài)序列。這種地形響應(yīng)的擴展能夠處理更復(fù)雜的障礙物，比如樓梯。

圖 | 輪足也能行走自如

他表示，目前的輪子不能轉(zhuǎn)向，這是一個好的挑戰(zhàn)，因為這樣機器人就不得不探索混合滾輪和行走的運動。從應(yīng)用的角度來看，輪子可以轉(zhuǎn)向，可能是有益的。他們已經(jīng)分析了腿部配置和每條腿的致動量，可以旋轉(zhuǎn)機器人的髖關(guān)節(jié)內(nèi)收 / 外展，在不增加機器人復(fù)雜度的情況下，增加了機器人的機動性。

Marko 還認為，有腿部機器人都應(yīng)該有輪子， 輪足機器人在未來會更加普遍。在自然界中沒有這種運動方式，使得設(shè)計輪足機器人更具挑戰(zhàn)性，這可能也是沒有出現(xiàn)類似生物的原因之一。目前只有少數(shù)腿輪機器人平臺，例如，滾輪行走的 ANYmal、CENTAURO 機器人和波士頓動力公司的 Handle，但隨著目前這一領(lǐng)域的進步，會有更多類似的概念機器人出現(xiàn)。

關(guān)于未來，該團隊正在研究一個框架，使機器人能夠在地面和具有挑戰(zhàn)性的障礙物上進行更復(fù)雜的運動。這里的挑戰(zhàn)是如何為這樣的高維問題找到最佳的機動性，以及如何在真實機器人應(yīng)用中穩(wěn)定地執(zhí)行這些運動。

而關(guān)于這項研究的相關(guān)論文 “Whole-Body MPC and Online Gait Sequence Generation for Wheeled-Legged Robots”，已經(jīng)發(fā)表在 arXiv 預(yù)印本平臺上，論文由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的幾位作者撰寫。

圖 | 最近出現(xiàn)的腿輪機器人平臺，如 Wheeled-ANYmal、ASCENTO 和 Handle

當(dāng)前，人們對機器人的運動要求也越來越復(fù)雜。工作環(huán)境的復(fù)雜性和多樣化對移動機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了越來越高的要求，對于對于有腿的機器人，疫情蔓延歐美的 2020 年，似乎是是具有突破性的一年，這從資本方面的動作可以看出，美國機器人研發(fā)公司 Agility Robotics 最近為其 Digit 類人機器人籌集了 2000 萬美元的 A 輪融資，ANYmal 公司也在前幾天完成了 2230 萬美元的 A 輪融資。隨著類似機器人剛剛開始進入主流，市場似乎已經(jīng)準(zhǔn)備好持續(xù)增長。

在過去，機器人要么傾向于使腿，要么使用輪子移動。而大部分輪腿結(jié)合的輪足式機器人仍然只在研究領(lǐng)域。ANYmal 這次展示的四足輪式機器人的潛力，是否指明了未來機器人領(lǐng)域的發(fā)展方向？這或許需要交給時間。

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