時速22公里、載荷50kg，四足輪腿式機(jī)器人Swiss-Mile學(xué)會了變身

作者：機(jī)器之心報(bào)道 2021-12-08 10:03:44

既能四輪奔跑，又能兩輪站立，這個機(jī)器人有點(diǎn)厲害。

你見過敢與特斯拉「飆車」的四輪機(jī)器人嗎？就像下面這樣，看起來速度還挺快：

下樓梯也「一往無前」：

除了四輪奔跑之外，它還可以兩輪站立，變身人形機(jī)器人，平衡能力棒極了：

這款機(jī)器人由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的衍生公司 Swiss-Mile 開發(fā)，它的名字也隨了公司名，被命名為：Swiss-Mile 機(jī)器人。

其實(shí)，這款機(jī)器人是在 ANYmal 機(jī)器人的基礎(chǔ)上開發(fā)而來，ANYmal 是由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的四足機(jī)器人，當(dāng)時的 ANYmal 就像四足動物一樣只能四條腿走路。后來，研究者在ANYmal腿上增加了輪子，使其既能行走又能滑動，現(xiàn)在，ANYmal能夠雙腿站立了。

根據(jù) Swiss-Mile 官網(wǎng)介紹：Swiss-Mile 機(jī)器人速度高達(dá) 6.2 m/s（約 22.32 公里 / 小時或 13.87 英里 / 小時），能夠克服具有挑戰(zhàn)性的障礙并實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)和室外空間的導(dǎo)航，可攜帶工具、材料、貨物和傳感器，最大有效載荷為 50 公斤！

Swiss-Mile 機(jī)器人由 Marko Bjelonic 領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)，他這樣總結(jié) Swiss-Mile：汽車、四足、人形，最高時速 22 公里，能夠克服障礙，兩條腿站立！

Marko Bjelonic 因開發(fā)輪腿機(jī)器人 ANYmal 而廣受關(guān)注，這一項(xiàng)目是 Bjelonic 在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位期間做的項(xiàng)目。Bjelonic 在讀博期間受到蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Marco Hutter、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Stelian Coros 和 MIT 的 Sangbae Kim 指導(dǎo)。作為一名博士后，Bjelonic 將繼續(xù)他的夢想，即通過 Swiss-Mile 公司將輪腿式機(jī)器人帶入現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用中。

從官方視頻來看，Swiss-Mile 機(jī)器人用到了軌跡優(yōu)化技術(shù)：將高級任務(wù)轉(zhuǎn)化為動態(tài)可行的運(yùn)動，這些運(yùn)動存儲在機(jī)器人的運(yùn)動庫中，來自該庫的單個運(yùn)動進(jìn)行組合并反饋至 MPC：

時速22公里、載荷50kg，四足輪腿式機(jī)器人Swiss-Mile學(xué)會了變身

其實(shí)，對于有腿的機(jī)器人來說，輪式與腿式相比具有許多顯著優(yōu)勢。對于輪式機(jī)器人來說，鎖定機(jī)器人的輪子，機(jī)器人可以行走，像爬樓梯、下坡這種高難度的動作也能很好的適應(yīng)；而解鎖輪子，機(jī)器人能夠更快、更有效地移動，比行走要快的多。因此，我們從 Swiss-Mile 官網(wǎng)可以看到，Swiss-Mile（輪腿式機(jī)器人）的效率比腿式系統(tǒng)高 83%！

未來，該公司希望將輪腿機(jī)器人商業(yè)化，以完成各種任務(wù)，包括地圖、檢查、救災(zāi)和城市環(huán)境中的物流等。此外，與輪式送貨平臺和輕型送貨無人機(jī)相比，Swiss-Mile 機(jī)器人已經(jīng)可以有效地克服平坦地形，越過臺階和樓梯等障礙物，并在室內(nèi)和室外空間承載重型有效載荷。

ANYmal 機(jī)器人

關(guān)于 Swiss-Mile 機(jī)器人，我們在官網(wǎng)上沒有查到更多的詳細(xì)信息，但它是在 ANYmal 機(jī)器人的基礎(chǔ)上演化而來?；蛟S通過 ANYmal 機(jī)器人的一些技術(shù)信息，我們可以推測 Swiss-Mile。

ANYmal 機(jī)器人由 ANYbotics 公司打造。ANYbotics 成立于 2016 年，是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的衍生公司，致力于開發(fā)工業(yè)應(yīng)用的移動機(jī)器人技術(shù)。此前還登上了《Science Robotics》封面。

此前，ANYmal 是這樣的，沒有輪子，更不能雙腿站立，但能 hold 住各種地形，徒步過河不在話下。

ANYbotics 的研究者提出了一種穩(wěn)健的控制器，用于在充滿挑戰(zhàn)的地形上進(jìn)行盲四足運(yùn)動。該控制器僅使用聯(lián)合編碼器和慣性測量單元的本體感受（proprioceptive）度量，這是腿式機(jī)器人上最耐用最可靠的傳感器。控制器的操作如下圖所示：

該控制器被用于 ANYmal 四足機(jī)器人的兩代版本中。四足機(jī)器人在泥土、沙子、瓦礫、茂密的植被、雪地、水中和其他越野地形中安全地小跑。

此外，這項(xiàng)研究中提到的方法并沒有用到攝像頭、激光雷達(dá)或接觸式傳感器信息，只依賴本體感受傳感器信號（proprioceptive sensor signal）來提高控制策略在不同地形中的適應(yīng)性和穩(wěn)健性。

在模型上，新方法沒有使用在機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)的快照上運(yùn)行的多層感知器（MLP），而是使用了序列模型，特別是感受狀態(tài)的時間卷積網(wǎng)絡(luò)（TCN）。

之后，研究者為 ANYmal 添加了四個輪子，他們提出了一種整體模型預(yù)測控制器，同時優(yōu)化車輪和軀干運(yùn)動。該控制被應(yīng)用到 ANYmal 輪腿機(jī)器人上。

添加了四個輪子的 ANYmal

研究者提出了一個在線軌跡優(yōu)化（TO）框架，通過將問題分解為單獨(dú)的輪子和基本軌跡優(yōu)化來打造一個能以模型預(yù)測控制（MPC 模）方式奔跑的輪式 - 腿式機(jī)器人。對于動態(tài)一致的運(yùn)動，該輪式 TO 需要考慮輪子的滾動約束，而基礎(chǔ) TO 則考慮機(jī)器人在運(yùn)動期間的平衡，此處用到的是零力矩點(diǎn)思想（zero-moment point，ZMP）。一個分級的 WBC 通過計(jì)算所有關(guān)節(jié)的扭矩命令來跟蹤這些運(yùn)動。該混合運(yùn)動框架通過以下方式擴(kuò)展了輪 - 腿機(jī)器人的能力。

該框架適用于各種各樣的步態(tài)，如靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定步態(tài)以及 full-flight phase 步態(tài)等、
研究者以毫秒為單位切換機(jī)器人的兩種運(yùn)動方式。由于這種切換頻率非?？?，機(jī)器人可以穩(wěn)健地對抗無法預(yù)知的干擾，使其在現(xiàn)實(shí)世界的部署成為可能。

圖 2：運(yùn)動規(guī)劃和控制結(jié)構(gòu)演示。運(yùn)動計(jì)劃基于 ZMP 方法，該方法考慮了優(yōu)化的輪子軌跡和機(jī)器人的狀態(tài)。分級 WBC 優(yōu)化了整體加速和接觸力，追蹤操作空間推理。最后扭矩?cái)?shù)據(jù)被傳送到機(jī)器人處。由于采用分層結(jié)構(gòu)，輪子 TO、基礎(chǔ) TO 和 WBC 可以實(shí)現(xiàn)并行。