【专利解密】波士顿动力 机器人自我回正方法

【嘉德点评】波士顿动力发明的足立式机器人，借助于多个传感器以及控制算法，设计了具有低重心、易回正的硬件结构，实现了具有鲁棒性的机器人自我回正。

集微网消息，2019年9月，波士顿动力发布了关于机器狗 Spot 的视频，视频中展示了机器狗在各种地形中的出色避障表现，并且不仅可以避开障碍物，而且还可以在极端的环境中保持平衡。

我们知道，机器人尤其是四足以及双足机器人，其研发难点就在于如何保持机器人的平衡，虽然有了陀螺仪等多种传感器设备进行数据采集，但是要研发一套具有鲁棒性的平衡性系统并不容易，机器人在行走过程中极有可能会滑倒或者翻倒，而机器人要进行回正也非常困难且耗时。

因此，波士顿动力在15年6月24日申请了一项名为“用于机器人自我回正的系统和方法”的专利（申请号：201580033194.8），申请人为波士顿动力公司。

根据目前该专利公开的资料，让我们一起看看波士顿的这项机器人自我回正方法吧。

如上图，为这种回正方法的流程图，系统中的硬件主要包括：机械系统120、传感器系统130和控制系统140，而系统的实现也借助于多种传感器，例如：体载传感器、2D/3D传感器以及机械腿传感器等，机械腿传感器可以检测机械脚是否与地面接触。

首先，系统需要确定机器人装置的底表面相对于地面的取向，这是因为机器人在进行行走、俯仰、侧滚以及横摆等动作时，其与地面接触的部分会发生变化，因此可以利用这种变化进行下一步的判断。

当机器人处于不稳定的位置时，可以通过其质心的位置来确定机器人的脚的位置，根据机器人自身与脚的相对位置关系，就可以判断机器人是否可以进行站立，从而恢复到稳定的状态，对于四足机器人来说，如果想要恢复到稳定状态，则需要不断调整腿部的位置，从而支撑身体重新站立起来，例如下图所示。

可以看到，上图左侧为机器人站立时的姿态，其为具有四条腿的四足机器人，质心靠近机器人的底表面，这样有利于机器人保持平衡。而其底部被设置为U形，这样就的好处在于当机器人位于其侧面上时，本体可以很自然的倾向于滚动到稳定位置。

而如上图右侧所示，为机器人处于不稳定状态，这种不稳定状态可以通过机器人身上布置的传感器进行检测，可以看到在这种情况下，机器人的腿部朝上，不能够维持正常的平衡状态。此时就需要借助于腿部的运动，来使机器人重新恢复稳定。

在确定机器人的脚的位置后，可以不断的调整机器人的腿部姿态，例如将第一侧上的每一条腿从第一位置移动到第二位置等，以此来使得机器人回正。最后还需要对最终状态进行检测，判断机器人是否回到了稳定位置，这也是由机器人身上分布的传感器来实现的。

如上图，为完整的机器人结构示意图，其具有四条腿，本体具有较低的质心，底表面如上面介绍的那样具有轮廓406，可以使得机器人装置的重力势能基于机器人的稳定位置而减少，并且可以完成上述的自我回正动作。

以上就是波士顿动力发明的机器人自我回正方法，波士顿动力公司演示的机器人视频中，机器人均具有非常出色的自我回正表现，这依靠的不仅仅是例如上述这样的自我回正方法，在机器人程序设计中，也包含着非常多的平衡性算法，正是依靠着出色的算法控制以及精细的机器人结构设计，才能够带来如此出色的机器人，而波士顿动力的四足机器人也已经商用化，将给用户带来更大的价值。

（校对/holly）