波士顿动力机器人后空翻动作背后的传感器技术与动力控制算法

　　近日，波士顿动力发布了一段机器人后空翻的视频。对此，东南大学仪器科学与工程学院院长宋爱国，在接受媒体采访时，通过对Atlas的动作进行技术分解，梳理了支撑它的背后的传感器、动力控制算法等技术。

　　一个后空翻动作，最难的是哪一步?起跳、翻转、落地，还是稳住?

　　宋爱国说，首先要有力量。他解释称，想翻转，跳起来了，但是力量不够大，就不能给翻转足够的时间，也谈不上动态的调整，因此动力是后空翻能够完成的基础。第三代Atlas并不是告别外接电源的第一代。资料显示，波士顿动力2016年推出的第二代Atlas就配备了内置电池驱动，不再需要外接电源获取动力。

　　瞬间给力会更大，就像人要调集自己肌肉内部的ATP储能一样，翻转开始时的爆发力对电池的要求更高。宋爱国提醒，在关注传感器、算法等人工智能研究的同时，也要关注动力等基础研发，机器人的研制是一个全链条的工作。在机器人的体内会有姿态传感器，也就是陀螺仪。

　　Atlas机器人在准备起跳，资料图

　　Atlas用到的传感器与动力控制算法

　　宋爱国说，通过陀螺仪，它能知晓自己的空间方位。与生物判断自己的方位和姿态不同，人类的平衡感知集中在小脑部位。而机器人的平衡感知是分布式的，通过陀螺仪分布在它的躯干上。

　　宋爱国进一步解释说，它一跳，腿部跟着摆动上来，然后翻转，整个身体的姿态也随之调整。这其中便是姿态传感器在起作用，姿态传感器获取了各部位的旋转状况，将信息传递到中央处理器，进行控制决策。而且控制的实施要快，因此对算法的有效性要求很高。

　　决策的具体过程可分解为：将姿态转换成数据，进行计算处理，找到应对策略，传递给不同部分，控制姿态，获取平衡。可以想见后空翻的所有计算要在“慢飞行”的情形下完成，因此控制算法优化极考验功底。

　　据了解，目前很多学校都在拿这款机器人做硬件平台，然后研究控制算法。有机器人领域的研究者介绍说，波士顿动力控制算法已成为院校的典型范例，被用作教材。甚至，连特斯拉CEO埃隆-马斯克也在推特表示说：“这没什么，几年后，这个机器人会移动得太快，你需要一盏频闪灯才能看到它。”

　　11月26日，埃隆马斯克对有关Atlas机器人后空翻的消息发表推特评论。

　　Atlas机器人能够完成后空翻动作并落地，仰赖于传感器及它的动力控制算法。资料图

　　Atlas的落地平衡控制

　　此外，落地的平衡控制是较难完成的环节。这一过程中，刚性接触和柔性接触分别要采用不同的模型，还要设计二者的兼容模型。宋爱国说，为了给这个大家伙输出足够的动力，也为了减少落地对它的缓冲，Atlas的腿部装了液压伺服器。两个细长的桶状装置，装在腿部，将刚性接触转化为柔性接触。

　　宋爱国说，目前的驱动部件，有电机、有气压、有液压，后两种能够降振减压，它们不会因为瞬间冲击力的增加而爆掉，而且输出动力也足。但是，在算法控制上，液压伺服的数学模型是非线性的，力量不会随着电压的增长而线性增长，控制的精度会低一点，因此，机器人的脚部也会安装多维力传感器，来对脚步的受力状态进行辅助控制。

　　波士顿动力公司，资料图

　　关于波士顿动力

　　据悉，关注Atlas的业内人士，也很乐于八卦波士顿动力公司的波折经历。它早期在军方拿到了巨额的研究经费，后被谷歌收购，之后又被谷歌卖给日本软银公司，支持经费是其中的重要因素之一。

　　有人在知乎爆料称，波士顿动力特别有钱，认识在该公司供职过的研究人员，得知波士顿动力每周都要做机器人实验，把机器人搞坏，然后发现问题并改正，因为有钱、有经验，所以他们一周之内就能把机器人修好，下一周继续做，全年无休。

　　可见，仿生机器人是个费钱又费工的研究。近年来，我国也在仿生机器人领域有了值得一提的研究。

　　国内正在起步的机器人研究

　　今年4月，百度主办的创新挑战赛上，南京大学、西南科技大学等联合研发的“蜘蛛侠智能救援队”亮相，能在复杂的路况中稳定行走，相互沟通协作且简单自主运动。8月召开的机器人大会上，由清华大学计算机系研发的“数据机械手臂”，在人穿上带有传感器的手套后，机械手臂会“零延迟”同步响应动作。此外，中国科学技术大学、新松机器人公司等在四足机器人足球、7自由度协作机器人等方向都有相关研究进展。

　　宋爱国介绍，在军方相关部门有进行四腿大狗的研究团队，山东大学有研究两腿直立行走的团队，但与波士顿动力相比，我国的机器人研制深度和水平还有较大差距。