腿足式机器人：从实验室走向现实

腿足式机器人并不陌生，比如Cassie机器人，它能在复杂环境中自如移动。而在灾难响应和搜索救援中，腿足式机器人因其适应崎岖地形的能力而备受青睐。

ATRIAS机器人展示动态行走

ATRIAS机器人在崎岖地形上的表现尤为出色。最近，加利福尼亚大学伯克利分校和卡内基梅隆大学的研究团队展示了ATRIAS机器人在不规则地形上的行走能力。设计能够处理离散立足点的控制算法是一项挑战，因为这需要精确控制机器人的步伐。在这次实验中，研究人员利用最优和非线性控制系统的最新进展，成功实现了ATRIAS机器人在随机变化的石块间行走。

ATRIAS机器人在梯形且不规则的地形上行走，步长在27至67厘米之间变化，速度保持在0.6米/秒。

腿足式机器人的现状与挑战

尽管腿足式机器人在机械设计和控制策略方面已取得显著进步，但它们在实际生活中的应用仍然有限。当前最前沿的腿足式机器人在准静态运动时速度较慢，对外界干扰反应不稳定，并且能耗较高。对于下肢外骨骼而言，穿越不连续地形同样充满挑战，通常需要额外的平衡机制，如拐杖。在Cybathlon比赛中，研究人员通过设计机器人和反馈算法，使机器人能够安全可靠地在复杂地形上行走。

ATRIAS机器人在随机离散地形上的行走实验，旨在探索能否将这些技术应用于辅助或增强人类的生物机电装置。

在踏脚石上行走

在加州大学伯克利分校的“混合机器人”团队中，研究人员开发了一种正式控制框架，不仅确保机器人在离散地形上精确放置脚步，还能应对模型的不确定性和外部力的影响。这些方法适用于多种机器人模型，包括RABBIT、ATRIAS和DURUS。

ATRIAS机器人在随机放置的踏脚石上行走，步长在30至65厘米之间变化，步高在22厘米范围内变化，平均步行速度为0.6米/秒。这是机器人首次实现自主动态行走，无需预知整个地形。

技术难点

为什么这种“离散式散步”在机器人技术中是一个难题？首先，双足机器人是高度自由度系统，其运动受复杂的非线性微分方程控制，需要不断与环境互动。ATRIAS机器人没有脚踝执行器，只有固定的落脚点，这意味着它必须在物理约束下工作，如电机扭矩限制和摩擦。

类似实验在其他机器人如Valkyrie和ATLAS上也取得了成果，但ATRIAS的独特之处在于它能够动态行走，而非传统的准静态运动。通过优化和非线性控制技术，研究人员能够以简单紧凑的形式控制机器人，并确保其稳定性。

下一步

研究人员表示，目前的机器人还需要更多关于周围环境的信息，例如下一块踏脚石的位置。他们正致力于将计算机视觉算法（包括深度分割和深度学习）集成到控制系统中，以使机器人能够自主地推理周围环境并发展自身的行为。未来的目标是在3D环境中实现这一功能，使机器人能够在真实的踏脚石上行走。

从长远来看，这项研究将有助于双足机器人在室内（如楼梯和狭窄走廊）及户外（如树木繁茂的小径）环境中自主行走。研究的重点包括安全性、耐用性、敏捷性和对外部干扰的稳健性。

应用前景

这种技术的潜在应用广泛，如在搜索和救援中部署自主人形机器人代替人类救援人员；在探索尚未开发的地区（如其他行星表面）时使用；还可以作为家庭中的个人机器人。此外，这种开发方法也可转化为增强人体的机器人设备，如下肢外骨骼。

想要了解更多关于ATRIAS机器人实验的详细信息，请访问相关链接。

本文经授权转载自公众号“机器人大讲堂（RoboSpeak）”。

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