NASA的Robonaut 2、Rethink Robotics的Baxter和波士頓動力的Atlas，它們的共同之處是都運行機器人操作系統ROS（Robotics Operating System）——一個開源的操作系統，正迅速成為機器人行業的Android。
開源機器人基金會CEO Brian Gerkey稱他們已經達到了臨界點，過去一年ROS軟件的下載量翻了一番，達到了350萬次，隨著ROS 2.0的發佈普及率有望再次飆升。
如果說阿爾法狗是對人類智力的碾壓，那麼，波士頓動力研發的機器人，正在挑戰的是仿生學。
波士頓動力公司（Boston Dynamics）一直在專注於機器人的研發，每一次波士頓動力放出視頻都會引起網友的圍觀驚歎，包括機器狗開門，戶外慢跑跨越障礙，爬樓梯、避讓行人、判斷路徑等都不在話下。
旗下 ATLAS的表現無疑震驚了不少人，功能型人型機器人能夠在各種情況下保持身體的穩定性，這對於人型機器人發展的意義不言而喻。
2008年3月18日，波士頓動力公司釋放了一段關於新一代的機械狗的錄像，在這個錄像當中，機械狗能夠穿越結冰地面，並且能夠在被側踹之後恢復平衡。
2013年7月11日，ATLAS首次向公眾亮相，還比較笨拙，步履蹣跚，就像人類的幼兒。需要外接電源，拖著長長的尾巴，後來經過改進去掉了外接電源，走起路來常摔跟頭。
2016年2月份，當Atlas機器人再次出現在人們的視野中時，它變了，它已經可以完成獨立雪地行走，平衡能力已經很強大了，摔倒了還能爬起來，還能主動打開房門，已經可以搬運貨物。
2017年11月，再次出現時，它的技術推進速度開始讓人震驚。展示了一波雙腿跳遠，雙腿立定跳高，還有後空翻技能。
2018年5月份Atlas機器人再次升級，驚呆了。它可以野外在草地上慢跑了，輕鬆跨過類似於橫木的障礙物。Atlas的的腿，伺服和液壓線已經都嵌入到了結構中。Atlas不僅能夠單腳躍過障礙物，還可以連續跳上多層平臺。
2019年9月24日，波士頓動力公司在網上公佈了雙足機器人Atlas最新進展視頻。繼表演跑酷、後空翻等絕技之後，Atlas又掌握了一項新技能：體操。
Atlas 看上去就和一個人一樣，而 SpotMini 就像是一條狗。波士頓動力在說明中指出：這個測試，不會刺激或者傷害機器人。不會刺激，應該是說即便以不優雅的行為對待機器狗，它也不會被激怒反撲到你身上。不會傷害，代表即便是激烈的干擾行為，也沒有對機器人的硬件以及軟件系統造成損害。
波士頓動力並不過分追求毫釐之間的精確度，他們追求的是功能的精確性。Atlas 是亞穩態的，因此它在絕大多數時候都是穩定的。處於亞穩態，意味著 Atlas 需要像人類一樣保持直立。但即便是 Atlas 所做的後空翻，也只需要 “非常粗略的計算”。當它著陸時，它會對計算做出修正，不需要完美無缺，足夠好就行了。
眾所周知，動物最常見的運動方式是節律運動，即按照一定的節奏、有力度地重複、協調、持續進行的動作，是低級神經中樞的自激行為。生物學上，動物的節律運動控制區被認為是分層並且模塊化的，其控制以中樞模式發生器為中心，既可以接受來自高層的高級神經中樞的主觀控制，也可以響應來自軀體各種感受器官的反射，這就是CPG控制機理。前人已經按照CPG控制機理建立了不同形式的數學模型，它們能夠產生的週期振盪的信號，使其能夠滿足節律運動的特點。
目前比較經典的CPG模型可劃分為以下兩大類：
基於神經元的模型：Matsuoka神經元震盪模型、Kimura模型等，該類模型生物學意義明確，但參數較多，動態特性分析比較複雜。
基於非線性振盪器的模型：Kuramoto相位振盪器、Hopf諧波振盪器等，該類模型參數較少，模型比較成熟。
在保證能夠輸出穩定的週期性震盪信號的前提下，那些形式簡單、參數較少、計算量小、便於分析、易於實現的CPG模型是更好的選擇。根據這一個原則，我們選取了HOPF振盪器作為CPG的單元模型。ATLAS反抗使用了動作捕捉設備，由人類演員完成。
為了探索其背後的技術路線，我們對波士頓動力申請的專利進行了檢索分析：
波士頓專利佈局。對主要申請人Boston Dynamics進行檢索，檢索截止日期為2019年1月，其中涉及機器人的專利文獻共有72篇，對其進行簡單統計，可以得到如下結果：
波士頓動力的專利申請態勢圖
可以看出：從2001~2011年，波士頓動力共申請了4件有關足式機器人的專利，這十年是足式機器人技術的探索階段，即專利佈局的早期階段；從2014年開始，波士頓動力在足式機器人的不同技術維度開始進行專利佈局；直至2017年都保持了較高的申請量，這期間不斷推出了足式機器人的改進版，於2016-2017年推出的SpotMini是更新換代的產品（爬樓梯的SpotMini），為其商業化應用奠定了基礎。
如下圖所示，通過對上述72篇專利進行分類標引，波士頓動力四足機器人的技術領域主要涉及液壓驅動和電液混合驅動，上述技術保證了機器人具有較強的運動能力。而步態規劃、平衡控制、複雜地形動態規劃以及自我回正屬於機器人的運動控制，同時也是波士頓的核心技術，上述技術使機器人更好的適應環境，維持動態平衡，實現智能移動。
波士頓動力的專利技術分佈圖
波士頓四足機器人技術路線圖
1、波士頓動力早期專利
通過分析波士頓動力的專利申請趨勢可發現，波士頓動力雖然成立於1992年，然而早期的專利申請多是關於離合器、軸承、醫療器械等，直至2001年9月21日才與SONY公司聯合申請一種仿生寵物狗機器人專利（US6484068B1），該專利主要解決的是寵物狗機器人的跳躍控制，如下圖。
US6484068B1附圖
專利中將跳躍劃分為兩個控制階段，第一階段控制機器人的四個腳同時跳離地面，第二階段控制前腿先落地後腿後落地，通過改變腿的落地角度和延遲角度實現落地。
而在2004年6月9日波士頓動力獨立申請了一份可以行走或爬行的多足機器人的專利US20050275367A1，設置在機身上的12個電機通過錐齒輪機構驅動六個腿的運動，如下圖所示。通過這種錐齒輪機構還可實現機器人身體高度的調整。
US20050275367A1附圖
經過了前期在多足機器人領域的探索，波士頓動力在多足機器人的發展上持續改進，並將其成果進行專利佈局。
2、四足機器人動力系統分析
動力問題是機器人的核心問題，關係著機器人能否動起來，工作時間的長短。波士頓動力早期的機器人主要是電機通過齒輪驅動連桿機構，對於沒有載荷要求的機器人而言是足夠的，對如Bigdog這類以內燃機為動力且需搭載較大負荷的機器人則顯得力不從心，為此，波士頓動力在液壓驅動方面佈局了較多專利，如下圖的液壓控制技術發展路線。
波士頓動力液壓控制發展路線圖
BigDog系統能耗高的問題突出，能量的多次轉換、多環節傳遞造成了大能量損失，如下圖所示為足式機器人在前行中理想的足部軌跡，腿部的運動是通過液壓系統實現，在理想軌跡下機器人可降低液壓驅動能耗。
足部理想軌跡圖
足式機器人在不同場合需要不同的功率供給，具有不同功率模式切換是降低功耗的重要手段，為此，波士頓動力在2008年10月14日提交的專利US20100090638A1中通過傳感器檢測力，控制器控制閥適時進行開關動作，實現按需高功率或者低功率模式。
在此基礎上，波士頓動力在2011年5月18日提交的專利申請US20120291873A1中公開了一種具有高壓油路，中壓油路和低壓返回油路的液壓系統，如下圖所示。
為了提高機器人運行的效率、減小功率消耗以及提高運動的穩健性，波士頓動力在2014年8月1日提交的專利US20160023647A1中通過判斷關節承受的載荷類型和大小，以選擇適當的液壓或電動致動器，使得機器人的功率消耗最低。如下圖所示，機器人根據不同的負載選擇不同的驅動方式組合。
US20160023647A1附圖
下圖是機器人的期望驅動力，期望的力為液壓驅動力和電驅動力的總和，液壓驅動為離散力，電驅動為連續的力，兩種驅動方式相互補充從而形成期望的力，達到最佳的驅動效率。
此外，波士頓動力還在提高液壓系統的穩定供壓、通過不同壓力組合、分階段供壓、提高液壓部件損壞工作壽命、提高閥的響應速度等方面均進行了專利佈局。以上這些專利中的技術均用於保證液壓系統高效和可靠工作。
3、四足機器人步態分析
在解決了動力方面的問題後，還需解決機器人如何動的問題。四足機器人在行進時不同的時間段需要不同的行進速度，而不同的行進速度對應不同的步態，四足機器人的步態包括Walk（慢走）、Trot（小跑）、Bounding（跳躍）、Gallop（飛奔）。
Wildcat奔跑轉向
上圖中的Wildcat正在以Bounding步態奔跑並完成了奔跑狀態下的轉向，整個過程都很流暢。可看出波士頓動力已經很好的解決了機器人在各種速度下的步態轉換。下面將波士頓動力在該方面的專利進行如下分析。
3.1 步態轉換
步態轉換技術發展
通過檢索，波士頓動力在步態轉換方面先後申請了6件專利，其技術發展如上圖所示，主要涉及如何實現不同步態、制定步態轉換準則、制定步態列表等。
3.2 步態控制和轉向
Trot
Gallop
波士頓動力在2014年12月17日申請且已授權的專利US9395726B1中公開了機器人通過控制俯仰角、高度、速度以及其產生的力實現不同的步態，下圖所示，Bound步態用於完成一般奔跑，而Gallop步態適合於高速奔跑。
US9395726B1附圖
而當機器人需要轉向時，可通過橫向移動側方的兩條腿並配合轉動和偏航角來實現機器人整體的轉彎，如下圖所示。
US9395726B1附圖
3.3 制定步態準則
基於上篇專利涉及的不同步態，波士頓動力為實現各種步態轉換制定了步態準則，並在2015年7月23日申請且已授權的專利US9931753B1中，公開了可自動實現所需步態的轉換的方法，通過識別當前的步態信息，根據不同的操作標準判斷當前的步態是否屬於其中，並按照其中的一種步態行走。
3.4 制定步態列表
波士頓動力為實現各種步態的順利轉換，制定了步態列表並可查詢，其在2015年11月3日申請且已授權的專利US9789607B1、以及在2016年06月27日申請且已授權的專利US10017218B1中，均公開了基於轉向命令使足式機器人實現目標步態。
US9789607B1側重於不同步態列表的查詢、US10017218B1側重於相同步態的腿的行走順序並避免失步，如下圖所示為制定的步態列表。
US9789607B1附圖
根據不同的速度區間設計不同步態，並排列成步態列表，在機器人內部存儲有多個步態列表。實際操作中，根據機器人的行走速度判斷所處的狀態，遍歷列表，直至獲得相符的步態，進而控制機器人以相關步態行走。
US9789607B1附圖
該專利中再次涉及了機器人通過步態調整實現轉向，如上圖所示，當機器人遇到障礙物時，機器人通過轉向避開障礙，機器人根據偏航偏差和位置偏差進行轉向。該專利中還涉及了Walk和Trot的切換方式，如下圖所示，在416後切換為500，進而開始Trot步態。
Walk轉Trot
US9789607B1中的Walk和Trot轉換
3.5 保持前後重心高度一致
機器人在行進中，由於諸多原因導致重心發生傾斜，處於懸空狀態下的邁步腿根據當前支撐腿及機身的狀態選擇正確的落地位置，保證機體重心落在穩定區域之內。
基於此，波士頓動力在2016年6月27日申請且已授權的專利US10059392B1中公開了一種控制具有非恆定俯仰角和高度的機器人裝置，通過調整機器人前後部分的質心位置可以使保證機器人在奔跑中保持機身重心高度一致，如下圖。
US10059392B1附圖
如果硬要給波士頓動力的四足機器人劃定一個界限，以上便是其四足機器人的前世。
採用液壓控制，採用控制閥、高低壓選擇供壓的方式降低系統能耗，採用離散/連續控制、蓄能器、壓力預測、不同液壓壓力、分階段供壓組合的方式保證機器人足夠的壓力供給的；早期聚焦的是如何實現四足機器人的不同步態,讓它有不同的風姿~
如今的Spot及SpotMini中採用電液混合的方式驅動降低能耗，專注於不同步態之間的轉換，通過制定轉換準則從而制定步態列表，來實現其更靈活多變的姿態，或是說更像一隻活靈活現的小狗。
當然，除開技術，或許更偉大的是他們的胸懷。
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來源：OSCHINA_開源中國 中國機器人網
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