對于少數(shù)已經(jīng)研發(fā)出四足機器人的中國院校和科研機構(gòu)來說，能實現(xiàn)行走，小幅度的奔跑已經(jīng)是極大的突破了，上文講到了三項底層技術(shù)讓四足機器人的在外力作用下保持平衡，本文則要介紹四足機器人如何實現(xiàn)跳躍式跨過障礙。

目前世界上最迅捷的四足機器人當屬“獵豹”機器人，而美國的波士頓動力和MIT Biomimetics Robotcs Lab都是其中的佼佼者。MIT的研究人員甚至專門開發(fā)出了一套跳躍算法，并將它用在了機器豹身上。

據(jù)了解，這臺機器豹擁有四肢，配置了齒輪，電池，電動馬達，與動物獵豹的重量也差不多。研究團隊對機器豹進行了測試，它能穩(wěn)定地在草地上跳躍前進，最高時速能夠達到10英里，能夠跳躍超過一英尺（30cm）的障礙物。據(jù)預(yù)計，機器豹的最高時速能達到30英里。

問題是：MIT獵豹機器人的算法有多復(fù)雜？為什么國內(nèi)不能研發(fā)出這種機器人？

北京理工大學四足機器人博士何玉東認為：MIT Cheetah（獵豹）的成功關(guān)鍵不在算法上，而是其機械結(jié)構(gòu)和執(zhí)行控制設(shè)計。

MIT Biomimetics Robotcs Lab 副教授Sangbae Kim團隊設(shè)計和制作的電驅(qū)動四足機器人，其基本思想是模仿真實的獵豹，實現(xiàn)高速奔跑，因此該團隊目前的工作主要在如何提高MIT Cheetah的奔跑速度上。

MIT Cheetah四個主要設(shè)計理念都是為提高該機器人的奔跑速度以及奔跑時間（能量效率）服務(wù)的。為實現(xiàn)快速奔跑并提高能量利用效率，MIT Cheetah的設(shè)計者主要做了三方面的重要工作：1）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；2）執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計）；3）控制器設(shè)計。

就目前的情況來看，機械結(jié)構(gòu)以及執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該說是該機器人能夠成功的關(guān)鍵，但是在機械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)定型后，控制器的設(shè)計將會越來越重要。

1）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

MIT Cheetah的機械結(jié)構(gòu)是從動物中獲得的靈感。 Kim在CMU的一次講座中提到他在一個視頻中看到一只細腿的鹿在歡快的跳躍，他就在想一只鹿那么細的腿能承受那么重的身體重量進行跳躍且腿不會折斷，那為何我們設(shè)計的機器人雖然采用強度比骨頭大很多倍的鋁合金、鋼、甚至碳纖維等材料卻反而不能承受大負載實現(xiàn)跳躍呢？于是經(jīng)過其對很多生物足部的研究，發(fā)現(xiàn)很多的前足都采用肌腱加腕骨的模式，如下圖：

獵豹機器人的足部設(shè)計圖示

于是他認為，肌腱結(jié)構(gòu)能夠減小沖擊力，相當于增加了腿部的強度。他通過有限元分析驗證了自己的結(jié)論，于是設(shè)計了類似的肌腱結(jié)構(gòu)足部，并在兩個肌腱之間加入了彈簧以增加一定的柔順性：

獵豹機器人足端結(jié)構(gòu)

獵豹機器人設(shè)計的初衷是是實現(xiàn)快速奔跑，而奔跑由腿的快速擺動實現(xiàn)。為提高擺動速度，需要盡量減小腿部的慣量，因此，Kim將腿部主要的慣量來源——執(zhí)行機構(gòu)（電機）全部統(tǒng)一放置于髖關(guān)節(jié)處，并設(shè)計了低質(zhì)量腿部關(guān)節(jié)，采用類似肌腱的桿來傳遞能量，帶動膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。經(jīng)過該設(shè)計，單腿的重心被控制在了執(zhí)行機構(gòu)所在圓以內(nèi)，極大的降低了腿擺動時的慣性，重心位置如下圖CoM所示：

這種設(shè)計極大降低了腿擺動時的重心

這樣做的好處是什么呢？節(jié)能。飛馳步態(tài)時兩條前腿同時觸地和離地，在奔跑過程中，前腿會有一個從向后擺動然后減速然后加速向前擺動的過程，這時，脊椎的參與使得原本在前腿后擺減速過程中損失的能量存儲在了脊椎的彈性勢能里面，在前腿向前擺動時再釋放出來轉(zhuǎn)化為前腿的動能，實現(xiàn)了能量的回收利用。

前后雙腳并行的結(jié)構(gòu)設(shè)計

最后，MIT Cheetah其實還設(shè)計了尾部結(jié)構(gòu)，其靈感來自于獵豹追逐獵物時，在變換方向過程中，尾巴在保持獵豹奔跑穩(wěn)定性方面起到的至關(guān)重要的作用，如下圖：

尾部的設(shè)計借鑒了獵豹捕獵時保持平衡的原理

MIT Cheetah團隊也做了相關(guān)的實驗，證明加入尾巴對側(cè)向沖擊具有抵抗作用，能夠增強其側(cè)向穩(wěn)定性。如下圖所示，在側(cè)向用球擊打MIT Cheetah時，其尾巴擺動提高了側(cè)向穩(wěn)定性。其實擺尾巴的原理很簡單，就是角動量守恒。

尾部設(shè)計平衡性實驗

2）執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

以上講了其機械結(jié)構(gòu)的特點，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性決定了其擁有高速奔跑的潛力，而執(zhí)行機構(gòu)的能力才是真正實現(xiàn)高速奔跑的大殺器。這里列出其單電機的基本參數(shù)： 第一版本的Cheetah使用的是商業(yè)級電機Emoteq HT-5001，

參數(shù)為： 重量：1.3Kg 最大扭矩：10Nm

而該電機不符合他們的峰值扭矩要求，于是他們自己隨意設(shè)計了一個。他們自己設(shè)計的電機參數(shù)為：

重量：1.067Kg 最大扭矩：30Nm

僅從這一點就看出歪果仁的機械設(shè)計能力了，為啥他們隨意設(shè)計了一個就比商用級的電機強這么多？?。≌娴氖请S意設(shè)計的么？

第二版Cheetah用的就是這個電機了。 其執(zhí)行器部分的結(jié)構(gòu)如下圖所示，一個模塊內(nèi)包含了單腿所需要的兩個電機轉(zhuǎn)子和定子以及減速齒輪，還包含了必要的光電編碼器。每條腿需要一個這樣的模塊。

獵豹機器人專用電機結(jié)構(gòu)

3）控制器設(shè)計

最后說說控制器設(shè)計。這方面從其發(fā)表的論文來看其實沒有什么新穎的東西，跟BigDog的方法也差不多，甚至還更簡單。因為目前其主要關(guān)注奔跑速度，對地形的適應(yīng)能力還沒有做過多的擴充，也就在第二版視頻展現(xiàn)了其越障能力，而越障能力其實已經(jīng)在第一版就實現(xiàn)了。本來就是研究的galloping飛馳步態(tài)，因此實現(xiàn)跳躍并不難。第二版也就是加入了一個激光測距傳感器，檢測前方的障礙物高度，然后實施跳躍動作。如下圖：

加入激光測距感應(yīng)器后能跨越前方障礙物

當然，要想實現(xiàn)跳躍也不是很簡單，需要計算起跳地點，落地地點以及達到落地地點所需要的力，還包括步態(tài)的設(shè)計，但是這樣的功能波士頓動力的BigDog已經(jīng)實現(xiàn)了，所以也就不算新穎了。

其他一些比較重要的內(nèi)容也順便提一下，一是trot到galloping步態(tài)的切換，采用的是CPG。為提高奔跑穩(wěn)定性，采用了swing leg retracting（擺動腿回縮）技術(shù)。為實現(xiàn)觸地柔順性，采用了阻抗控制技術(shù)。

總結(jié)：

從以上三點，可以得出：有時候不一定要有多么深奧的算法，但是，一定要有一個好的平臺，好的機械結(jié)構(gòu)。中國想要做出一臺高水平的四足機器人，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的功課需要補上。另外，補問一句：中國的院校和科研機構(gòu)能獨立設(shè)計一臺專用的電機嗎？