【專利解密】波士頓動力 機器人自我回正方法

【嘉德點評】波士頓動力發明的足立式機器人，藉助於多個傳感器以及控制算法，設計了具有低重心、易回正的硬體結構，實現了具有魯棒性的機器人自我回正。

集微網消息，2019年9月，波士頓動力發布了關於機器狗 Spot 的視頻，視頻中展示了機器狗在各種地形中的出色避障表現，並且不僅可以避開障礙物，而且還可以在極端的環境中保持平衡。

我們知道，機器人尤其是四足以及雙足機器人，其研發難點就在於如何保持機器人的平衡，雖然有了陀螺儀等多種傳感器設備進行數據採集，但是要研發一套具有魯棒性的平衡性系統並不容易，機器人在行走過程中極有可能會滑倒或者翻倒，而機器人要進行回正也非常困難且耗時。

因此，波士頓動力在15年6月24日申請了一項名為「用於機器人自我回正的系統和方法」的專利（申請號：201580033194.8），申請人為波士頓動力公司。

根據目前該專利公開的資料，讓我們一起看看波士頓的這項機器人自我回正方法吧。

如上圖，為這種回正方法的流程圖，系統中的硬體主要包括：機械系統120、傳感器系統130和控制系統140，而系統的實現也藉助於多種傳感器，例如：體載傳感器、2D/3D傳感器以及機械腿傳感器等，機械腿傳感器可以檢測機械腳是否與地面接觸。

首先，系統需要確定機器人裝置的底表面相對於地面的取向，這是因為機器人在進行行走、俯仰、側滾以及橫擺等動作時，其與地面接觸的部分會發生變化，因此可以利用這種變化進行下一步的判斷。

當機器人處於不穩定的位置時，可以通過其質心的位置來確定機器人的腳的位置，根據機器人自身與腳的相對位置關係，就可以判斷機器人是否可以進行站立，從而恢復到穩定的狀態，對於四足機器人來說，如果想要恢復到穩定狀態，則需要不斷調整腿部的位置，從而支撐身體重新站立起來，例如下圖所示。

可以看到，上圖左側為機器人站立時的姿態，其為具有四條腿的四足機器人，質心靠近機器人的底表面，這樣有利於機器人保持平衡。而其底部被設置為U形，這樣就的好處在於當機器人位於其側面上時，本體可以很自然的傾向於滾動到穩定位置。

而如上圖右側所示，為機器人處於不穩定狀態，這種不穩定狀態可以通過機器人身上布置的傳感器進行檢測，可以看到在這種情況下，機器人的腿部朝上，不能夠維持正常的平衡狀態。此時就需要藉助於腿部的運動，來使機器人重新恢復穩定。

在確定機器人的腳的位置後，可以不斷的調整機器人的腿部姿態，例如將第一側上的每一條腿從第一位置移動到第二位置等，以此來使得機器人回正。最後還需要對最終狀態進行檢測，判斷機器人是否回到了穩定位置，這也是由機器人身上分布的傳感器來實現的。

如上圖，為完整的機器人結構示意圖，其具有四條腿，本體具有較低的質心，底表面如上面介紹的那樣具有輪廓406，可以使得機器人裝置的重力勢能基於機器人的穩定位置而減少，並且可以完成上述的自我回正動作。

以上就是波士頓動力發明的機器人自我回正方法，波士頓動力公司演示的機器人視頻中，機器人均具有非常出色的自我回正表現，這依靠的不僅僅是例如上述這樣的自我回正方法，在機器人程序設計中，也包含著非常多的平衡性算法，正是依靠著出色的算法控制以及精細的機器人結構設計，才能夠帶來如此出色的機器人，而波士頓動力的四足機器人也已經商用化，將給用戶帶來更大的價值。

（校對/holly）