導讀

之前，我們刊登了一篇波士頓動力四足機器人專利分析的文章，為大家揭秘了其四足機器人的技術前世。了解完前世，想必大家更加好奇的是它的今身是怎樣做到如此強大的。今天我們就為大家奉上波士頓動力四足機器人專利揭秘的下半部分。

本文由超凡知識產權投稿，機器人大講堂整理編輯

上期我們已經欣賞了一波波士頓動力四足機器人的驚艷動圖，今天，我們同樣先來分享一些它們的風姿。

爬樓的Spot

爬坡的Spot

Spot和SpotMini一起玩耍

最新的10隻SpotMini拉動大卡車

自由蹦躂的SpotMini

SpotMini的測試場地

面對如此優秀的波士頓動力四足機器人，我們除了膜拜，最應該做的當然是深挖它的技術背景了。

下面我們先來看看，其四足機器人在面對山地、斜坡、崎嶇路面、台階等複雜地形時，都做了哪些專利布局。

波士頓動力在複雜地形動態規劃方面先後布局了9件專利，如下圖所示是小波在複雜地形動態規劃的相關專利。

複雜地形動態規劃相關專利

上坡

為了使機器人在斜坡上保持平穩前行，波士頓動力於2014年7月24日申請且已授權的專利US9259838B1中公開了一種地平面估計方法，具體為：確定機器人與地面的一個或多個接觸點的位置和相對於參考系的方向，進而確定機器人與地平面估計之間的距離，根據確定的距離和地平面估計控制機器人調節姿態。

（a）1個接觸點 （b） 2個接觸點 （c）3個接觸點 （d）大於3個接觸點

US9259838B1附圖

為了使機器人順利通過高台這類障礙物，波士頓動力於2014年12月29日申請的專利US9440353B1中公開了機器人遇到高台時，利用協調運動控制機器人以便爬上高台。如下圖所示，機器人屈曲前腿後彈跳上台階，同時指定後腿輕微屈曲和伸展，以使機器人身體向前移動並使前腿跳躍於高台上。

(a)屈腿

（b）跳躍

US9440353B1附圖

通過高低不平地形時，抬腿太高易導致機身不穩，太低又無法跨過障礙，所以機器人抬腿高度需要依據環境信息做出合理的調整。基於此，波士頓動力於2015年5月12日申請的專利US9594377B1中公開了機器人適用於高低不平的地形的方法。如下圖所示，機器人將地形圖製成由離散單元組成的矩陣。

US9594377B1附圖

機器人在行走時腳的高度變化如下圖所示，可以看出機器人抬腳高度與障礙物的高度差基本恆定，不至於太高或太低。

US9594377B1附圖

當機器人遇到台階時如何估計即將行走的地形的平整性，然後調整機身的俯仰來抵消地平面高度差。基於此，波士頓動力於2015年5月15日申請且已授權的專利US9561592B1中公開了一種腿式機器人的地平面補償方法。

US9561592B1附圖

如上圖所示，機器人根據特定地形特徵的高度以及與該特定地形特徵之間的距離確定估計地平面的坡度，進而控制機器人根據確定的坡度按比例調整其俯仰。

當機器人遇到樓梯時，如何定位並維持平衡，基於此，波士頓動力於2015年12月30日申請且已授權的專利US9868210B1中公開了一種機器人爬樓梯的控制方法，下圖所示，機器人接近樓梯時首先調整機身的高度和俯仰，在爬升中，機器人所達到的高度和/或俯仰等於或接近等於預定的高度和俯仰，當機器人從樓梯的台階過渡到水平面時，機器人的前髖關節高度降低，後髖關節高度提升，使機身逐漸水平。

US9868210B1附圖

機器人在通過上述路況時需要儘快地檢測到觸地信號，從而更快地儲存能量以便應對下一次的動作，為此，波士頓動力於2015年1月26日申請且已授權的專利US9499219B1中公開了一種機器人的觸地感測方法，通過快速觸地檢測方法，機器人可根據腳部檢測的力信號控制肢體的末端的輸出力。

冰上翩翩起舞的BigDog像極了兩個悶頭大打出手的醉漢~

其實這是BD四足機器人一直以來的困擾—凌波微步，雖然這鬼步舞看起來很帥，但專業人士一看就知道，四足機器人在控制不住地打滑。因此，他們又抓緊研究出了四足機器人防打滑技術。

多足機器人大多為圓柱形或半球形足端，足端形狀與仿人形足端相比接觸面積小，當行走在瓷磚、冰面、油麵、濕滑路面時，如果摩擦力不足時很容易導致打滑，如上面所展示的大狗機器人。

通過檢索，發現波士頓動力先後提出了8件涉及解決機器人腳部受到滑動問題的專利，如下圖：

波士頓處理滑動技術路線

機器人打滑分析

滑動處理

機器人在不同路況面對的打滑情況不同，且打滑程度也不同，為了應對斜坡上行走時產生的打滑，波士頓動力在2014年8月25日申請且已授權的專利US9387896B1中公開了一種機器人腳部防滑處理方法，該方法用於多足機器人的防滑調整。

US9387896B1附圖

如上圖，機器人腳部在斜坡604上與地面的接觸角度在一定範圍內(摩擦錐610)可以保持與地面的穩定接觸，當超過了610的範圍則表明機器人的腳部處於打滑狀態。根據滑動量的大小判斷滑動情況，如果影響不大，則會在下一步中進行調整，而不是立即在腳上施加反作用力進行調整。

另外，在2014年11月26日申請且已授權的專利US9352470B1中公開了當機器人的腳部與地面之間的摩擦力不足使腳部發生滑移偏航，如果此時直接通過偏轉動作使機器人回正則可能加劇機器人打滑。因此，在有些情況下，需要通過調整腳部的橫向力和前向剪切力並減小偏航力矩來調整打滑。由於影響機器人步態的因素較多，因此，需要對這些影響步態的因素進行優先順序的排序，並基於此優先順序調節腳部的受力分配。

機器人在某些地形受到較大滑動時較難恢復穩定狀態，基於此，波士頓動力在2016年1月25日申請且已授權的專利US9925667B1提出了一種克服連續打滑的恢復方法，其採用的方案下圖所示。通過判斷腳部的位置與機身參考位置之間的差值和機器人的運動速度，根據該差值和速度進行調整，判斷調整後的差值是否小於預定值，如果不滿足，則將新的位置信息進行下一次的迭代，直至機器人恢復穩定狀態。

US9925667B1附圖

摔倒恢復

當然，機器人也會一些嚴重的打滑情況，面對這種情況防滑策略已無法起作用，如SpotMini在踩到香蕉皮後的表現。

機器人摔倒

基於這種情況，波士頓動力在2014年7月24日申請並授權的專利US9308648B2中公開了一種機器人自我回正的方法，在確定了機器人處於不穩定的狀態後，開始執行恢復穩定的多個動作，穩定位置可以是坐、站立或者爬行等。該專利中通過質心投影法判定機器人的狀態，如果質心位於由各個腳的位置限定的多邊形的外側則認為機器人處於不穩定狀態，反之則認為機器人處於穩定狀態；另外，也可通過機器人底表面上的感測器是否與地面接觸進行判斷。

US9308648B2附圖

上圖中的機器人為了返回穩定位置將地面側的兩條腿向上移動，機器人改變質心位置可以使機器人返回到穩定位置。恢復穩定後，則機器人可以站立並且繼續行走；如果仍處於不穩定位置，則繼續動作直至恢復到穩定位置為止。波士頓動力將該專利先在美國進行專利申請，之後通過PCT國際申請進入中國、歐洲和日本，可見波士頓動力對該項技術的重視。

機器人偏航調整分析

當機器人受到外部擾動或是打滑時會造成機器人行走偏航，一旦機器人偏航就需要立即調整從而確保機器人按預定方向行走。

機器人受到側踹

機器人在受到側踹後通過腳步的調整恢復正常行走。通過檢索，發現波士頓為實現機器人的偏航調整，提交了5件專利申請，以下為偏航處理專利技術發展進程。

機器人偏航處理的技術發展進程

其中，為了應對滑移擾動，波士頓動力在2014年11月26日申請且已授權的專利US9352470B1中公開了用於機器人偏航調整的方法：當機器人受到擾動時，感測器檢測到身體與腳之間的第一偏轉角和腳與地面之間的第二偏轉角，判斷第一和第二偏轉角之間的差值，如下圖所示，根據該差值確定機器人身體的偏航值，調整機器人腳部的驅動力使機器人回到預定的方向行走。

US9352470B1附圖

下圖示出了機器人從檢測到擾動至恢復預定線路行走的路徑圖。

US9352470B1附圖

在2015年3月16日，在波士頓動力提交的專利申請文件US20160052136A1中公開了在受到中等干擾下的機器人身體回正方法，在調整腳部已無法回正的情況下，通過檢測機器人軀幹的關節角以及身體的方位信息，通過上述信息評估機器人的身體方位偏差，控制器向機器人關節發送指令使機器人回到正常的方位。

US20160052136A1附圖

腿的避碰分析

當機器人在奔跑或是為恢復穩定而大幅度調整腿的位置時，就需要保證機器人各腿之間協調動作，避免發生碰撞。基於此，波士頓動力在2014年11月11日申請且已授權的專利US9446518B1中公開了機器人避免腿部碰撞的方法，如下圖，當站立腳的擺動範圍誤差區落入移動腳與目標落地點的連線上時，通過在擺動軌跡中插入一個或者多個中間點，使移動腳先移動到中間點，越過中間點後，再使移動腳移動到觸地位置,從而避免移動腳與站立腳之間的碰撞。

US9446518B1附圖

以上，便是波士頓動力關於應對複雜地形及擾動所做的專利布局。希望本文能給您帶來一些幫助。

END

看累了嗎？戳一下「在看」支持我們吧！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！