足式機器人：「機器人」不如「機器狗」，為何兩條腿不如四條腿？

輪式機器人最終將會走向足式機器人，這是業內人士普遍的觀點。

在2018世界機器人大會上，大家喜聞樂見的足式機器人雖然聲勢稍弱，卻代表著更長遠的市場布局和更豐富的場景應用。雷鋒網編輯採訪了上海交通大學教授、國家973計劃首席科學家高峰，結合高峰教授的觀點及業內精英的理解，就此次大會上見到的雙足及多足機器人的技術能力及部分產品加以分析，為大家撥開足式機器人技術發展的迷霧。

足式機器人的腿部設計是關鍵

首先要對輪式機器人和足式機器人做一個解釋。

輪式機器人一般有兩個驅動，一個是方向盤的驅動，一個是輪子的驅動。它實現了前進、後退和轉彎。輪式機器人由兩個電機控制，原理相對比較簡單，相對現在技術能力來說，實現起來也並不複雜。從專業角度來講，輪式機器人將任務和行動進行了統一，因為控制簡單，所以它的實用性也很強。

足式機器人有所不同，無論是幾條腿，一般足式機器人在走路的時候往往都是按兩足方式行走，但是即使足式機器人能夠很好地捕捉到環境信息，如何告訴機器人的腿怎麼動還是關鍵問題。例如雙足機器人到底是先邁左腿還是邁右腿仍是個問題，因而足式機器人的腿部設計很關鍵，必須要能夠實現智能化。

一般採用串聯腿的足式機器人很容易設計，只要在關節上裝三到四個電機就可以，通常一個腿至少要配備三個電機，平面腿有兩個電機就可以，另外，如果想把電機裝在機身上一般採用並聯結構。

有了腿以後就可以開發步行器了，步行器包括很多結構，但其中核心問題是設計使機器人具有感知能力的驅動，以及把編碼器、伺服電機、減速器和感測器複合成一個系統，從而開發出智能驅動單元。有了這個單元以後，就可以進行機器人行走、跑和跳的基礎實驗了，而現在的足式機器人的功能基本上還處於這一階段。

雙足機器人仍需改善平衡和行走能力

上圖為此次雷鋒網編輯在會場上看到的四款比較有代表性的雙足機器人。雙足機器人是最貼近真人形象的仿人機器人，但也是發展遇到困難最多的機器人。就眼下最大的困難還是如何實現平衡能力和移動能力。

就以上四款機器人中，功能最強大的是右下角軟銀NAO機器人。這款機器人擁有動態地面環境平衡能力，主要應用自身攜帶的電子陀螺儀、加速度感測器和8個壓力感測器，在地面傾斜時能夠檢測機器人重心變化、加速度變化和腳底壓力數值的變化，進而調整自身姿態來實現機器人穩定和平衡。平衡能力和運動能力相對於其他三款機器人算是很好了，在世界機器人大會上還展示了踢足球的能力。

當然，NAO相對來講也是圖中體型最小的雙足機器人，身高只有58厘米。就體型對機器人平衡能力及運動能力影響有多大，雷鋒網編輯在大會上採訪了上海交通大學教授、國家973計劃首席科學家高峰，高峰教授解釋：相對於大型的雙足器人而言，小型雙足機器人運動能力和穩定性之所以很強，主要由於它的重心很低，從某種意義上來講，並非依靠智能完成複雜環境的適應能力，而是其機械結構提供了一定的優勢。而大型雙足機器人基本上都要依靠加入伺服電機的智能驅動單元（步行器的關鍵部分）來控制機器人穩定運動。因而沒有加入伺服電機的機器人，很難說是智能，在一定程度上也只能算是玩具。

其他三款大型雙足機器人中，右上角和左下角的兩款機器人分別為北京鋼鐵俠科技有限公司的ART機器人和北京理工大學的匯童6P機器人，現在能夠實現的最重要的功能就是直立行走，主要仍然是應用在教育行業（科研方面）。而左上角的靈銥機器人主要能夠實現的功能除了直立行走，還多出一項上下樓梯的功能。

另外，雷鋒網編輯在現場也與靈銥機器人相關技術研發人員進行了交流，據了解，就雙足機器人而言，核心演算法是比較耗時間的，也是研發重點，電池部分現在主要還是要依靠產業的研發能力和供應能力，機器人研發團隊很少會為了電池配備相關研發人員。現在整體機器人還處在研發階段，仍然要靠電纜連接交流電來作為電源，團隊希望2021年實現第三款產品迭代時，能夠擁有更好的協調性和穩定性，從而實現商用。

據雷鋒網了解，大型雙足機器人現在能夠實現的能力仍停留在直立行走，上下樓梯等基礎功能階段，而在供電能力上，由於耗電量巨大，仍然無法擺脫尾部連接交流電源的長長的電纜。當然，考慮到現在大型雙足機器人就能力來看還處在學步的初級階段，隨著時間的推移，到雙足機器人需要落地商用時，電池工藝和供電能力也不會成為最終阻礙。

高峰教授也指出，現在足式機器人一個很重要的問題還是動力和穩定是否能有所突破，這就需要從機械本身出發。第二個問題就是腿式機器人必須要智能，不需要人再去操控它如何行走，這就像人的五個手指頭，每一個手指頭就是四個電極，我們叫四個自由度，所以現在工業機器人只做到四個手指，擁有五個手指的工業機器人就無法應用了。如果用一個自由度和一個電極進行抓取動作也是可以的，如果是兩個自由度去抓取那就會出現問題，如何抓取就牽扯到了機器人需要思考，也就是所謂的智能了。所以一般工業上都是一個電機來進行物體抓取的。

會跑會跳的四足機器人還需考慮落地問題

相對於雙足機器人，多足機器人不論是在穩定性還是在產品迭代上都有更好的表現。

上圖為此次展會上頗受歡迎的兩款四足機器人，猛一看，竟有幾分神似波士頓動力傳聞中明年量產的spot mini，而其實，這也是現在四足機器人常用體型。其中，左邊為浙江大學的四足仿生機器人「絕影」，右邊為宇樹科技的四足機器人萊卡狗（Laikago），雖然外觀有幾分相似，但是據雷鋒網了解，兩款產品在續航能力和電機過熱問題的處理能力等關鍵性能上還有一定的差距。

雷鋒網在現場也與宇樹科技聯合創始人陳立進行了交流，據了解，四足機器人相對雙足機器人主要優勢有以下三點：

1）四足機器人相對雙足機器人來說，結構更加簡潔，零部件也會少很多，因而可靠性會更高；

2）由於四足機器人結構簡潔，硬體成本會更低，研發周期也會短一些，這有助於加快產品和技術的迭代更新；

3）從步態種類角度來看，四足相對於雙足的步態更加豐富，這也有助於研發人員尋找運動規劃的突破口。

純電驅動四足機器人是一個全新的移動平台，世界範圍內2016年才出現，需要時間來迭代機器人本體技術和相應的配套技術，現在其實也存在一些技術瓶頸，例如穩定性、可靠性、續航能力和負載能力都有待進一步提高。

另外，據雷鋒網了解，目前四足機器人沒能夠商業化量產使用，主要有兩方面原因：

1）相較輪式和履帶式成本過高、維修難度大；

2）沒有明朗的具體商用落地場景。

以萊卡狗為例，目前主要仍是面向高校研究所及一些前沿科技公司。不過，據陳立先生介紹，萊卡狗短期內可以被用於娛樂、酷玩、展示及安防巡邏。未來萊卡狗可能會被用於勘探搜救、陪伴、軍方作戰平台及快遞物流等領域。

獨特的六足機器人

相對於四足機器人而言，上海交通大學研發的六足機器人又多出兩條腿，高峰教授解釋稱，六足機器人最大的優勢就是穩定性更高。六足機器人行走時，每次有三條腿抬起，另外三條腿就會形成一個穩定的三角形結構，這是它的一個很大的優點。承載能力也比雙足機器人更大，畢竟行走時三足要比兩足可承受的重量多很多。另外，如果把動力學控制做好還會有快速移動能力。

採訪精選：足式機器人的技術瓶頸和我國技術發展現狀

當下足式機器人發展瓶頸在哪裡？

高峰：現在機器人發展一個很大的瓶頸就是智能感知，環境感知和任務認知是一個比較難的領域。以開門指令為例，機器人首先要認識什麼是門，門有多少種。其實人類有時候都不一定能找得正確，所以認知就是一個大問題，機器人認知環境是機器人設計的一個前提。

因為機械本身是無智能的，如果你想讓它智能，就得做機器人頂層的軟體設計，從而能夠把人的指令、任務以及感知的信息與機器人的行為一一對應上。也就是機器人會根據你下的任務感知信息和指令，完成行為。這些信息再與機器人的行為對應上就是智能。例如人發出指令讓機器人上樓梯，它首先得找樓梯，然後測量樓梯，最後怎麼上去，這些決策全靠機器人自己做出。

現在大型足式機器人都會通過電纜連接交流電源供電，您怎麼看現在機器人供電的問題？

這是一個本質的問題，如果帶電纜，你的機器人做得再好也不能用，所以一定要把電源單元放在身上，這樣它的動力學性能才能體現出真正水平。

在全世界的發展來看，人類普遍對智能機器人期望值過高，我們第一希望它體魄好、有力量、跑得快、靈活，這就要求它本身機械部分做得好。同時，還要擁有智能，要能通過看你的眼神去做出相應行為，而且能表達它的喜怒哀樂。人和機器人在一起，如果機器人能看懂你的想法，你的眼神，然後做出相應的響應，這屬於很高的智能水平，機器人如何判斷人的行為，如何理解人的行為是一個很大的問題。

您認為現在中國機器人發展關鍵的短板在哪裡？核心技術的攻關進展到什麼程度？

機器人是一個機械，機械不能革命只能進化。德國在這方面做得很好，德國的機械不淘汰卻總是在進步，他們用信息產業更新軟體，讓機械更加智能化，從而功能變得越來越強大。中國在這方面不能過於急功近利，要把機械的進化做好，也就是機械本身的設計精度、控制水平要提高，只有當一個軟體進化做得越來越好，這樣才能夠去和世界強國競爭。

例如機器人如果和汽車行業相比，汽車技術要複雜得多。機器人內部實際上就是一個計算機單元，包括一個電機、幾個顯示器、一個感測器、一個驅動裝置、一個控制器和一個編碼器六大硬體單元。這六個硬體如果國產的能做好，再加上感測器力學的視覺陀螺，機器人問題就解決了。

關鍵問題在於我們的電機密度低，力距和控制精度也不高，所以大家就去國外買（很貴）。現在好很多了，我們現在做的機器人可以採用國產硬體，我們自己做的電機的功率密度已經很高了，與國外普通生廠商的電機相比已經有一定優勢，但是與波士頓動力或MIT做的電機相比還是存在一定差距的。

解讀器現在國產的有斜坡顯示器，只不過精度和壽命不如日本或德國做得好；力學感測器，國產產品做得還是挺好的；驅動器成本會高一些，國產驅動器精度不是很好，因而電機驅動器也是一個亟需解決的問題；系統設計，現在仍然面臨使機器人的設計變得輕量化，可以快速響應指令，同時還要精度高的問題；另外，還有材料方面的問題。

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