让机器狗站起来走两步，科学家：站起来更方便干活

「某种意义上说，软件正在努力让硬件以一种它不应该而且肯定没有优化过的方式工作。」

从技术角度来说，四足（quadruped）这个词意味着「四只脚」。机器人学者倾向于将该术语应用于任何使用四肢行走的事物，以区别于双足机器人（后者靠两肢行走）。但是，在机器人学和生物学领域都有一个巨大的、模糊的交叉点，你会发现动物在需要操纵某些东西时，可以从四足过渡到两足。

如果把四足机器人简单地看成是有四个肢体（limb）的机器人，而不是有四只脚（foot）的机器人，它们开始显得更「多才多艺」，但这种过渡可能是一个棘手的问题。在近日于日本京都举行的智能机器人和系统国际会议 IROS 2022 上，来自马萨诸塞州伍斯特理工学院（WPI）和上海科技大学的研究人员展示了一种可推广的方法，即现成的四足机器人可以变成两足机器人，只需要通过一些巧妙的软件和微小的机械改造。

此前也出现过可以从四足过渡到两足的机器人，但它们的设计总是非常刻意，而且在重量、复杂性和成本方面付出了代价。而这项最新研究的独特之处在于，它的目标是适用于任何四足机器人——通过一些非常小的硬件，你的四足机器人就可以变成两足机器人。

这种双足化部件的机械部分是一个 3D 打印的支撑杆，被安装在四足动物每条后腿的胫骨上，以提供额外的支持，使机器人能够站立和稳健地行走。如果没有胫骨附件，机器人就不会有静态稳定性。这在机器人站立时尤其有用，因为它的质心在这个过程中得到了充分的支撑。视频显示，这种方法可以让一种 看起来像 Mini Cheetah 的机器人站起来直立行走，但其实，只要满足一些基本要求，其他机器人也能用同样的方法。

视频来源：https://www.youtube.com/watch?v=Xf-fKWNRLcc

机器人直立之后的行走策略首先是在一个模拟环境中训练的，然后又迁移到了实体的机器人身上。这并非易事，因为控制器试图让机器人既能行走又不会摔倒，目前表现最好的策略能够让机器人行走数米——一个看起来不足为奇的成绩。

但重要的是，这个机器人在设计之初并没有考虑双足行走，所以从某种意义上说，软件正在努力让硬件以一种它不应该而且肯定没有优化过的方式工作。也许，如果这种能力能够扩展开来，四足机器人的设计者可能会受到激励，给他们的机器人增加一点灵活性，使其更具有适应性。

关于更多的研究信息，IEEE Spectrum 对伍斯特理工学院教授 Andre Rosendo 进行了采访。

IEEE Spectrum：从根本上说，四条腿的机器人和四条腿的机器人有区别吗？

Andre Rosendo：正如在自然界中看到的那样，四足运动能够实现更高的速度，机器人在用四条腿运动时明显更快。同样地，动物从四条腿过渡到两条腿的过程中所看到的与可操纵性有关的好处（例如，南方古猿用手把食物送到嘴里），对机器人来说也是存在的。我们目前正在为前肢开发一个「可变末端作用器」，以使这种四足机器人在站立、处理和操作物体时成为一个「双臂操作器」。

IEEE Spectrum：你们为什么决定采用这种特殊的系统来实现双足的转换？

Andre Rosendo：我们注意到，用固定的结构来调整四足机器人的后腿是相当容易的，而且性能下降的幅度非常小。虽然没有主动式结构那么美观，但现在材料的进步让我们能够使用从腿部伸出的小型碳纤维部件来模仿脚带来的相同的被动稳定性（在腿部运动中被称为稳定多边形）。另一方面，主动伸缩系统会在腿上增加一个微小的马达，增加腿在运动过程中的惯性矩，对性能产生负面影响。

IEEE Spectrum：这个系统的行走性能有什么限制？

Andre Rosendo：我们在模拟环境中对机器人进行了训练，行走的步态在被迁移到现实世界后是稳定的，尽管很缓慢。双足机器人的腿部通常有更多的自由度，以允许更多动态的和适应性的运动，但在我们的案例中，我们专注于多模式方面，以获得两个层面的好处：四足机器人的稳定性和速度以及双足机器人的灵活操作能力。

IEEE Spectrum：你们下一步的工作是什么？

Andre Rosendo：我们下一步将开发这个机器人的可操作性。更具体地说，我们一直在问自己一个问题——「现在我们可以站起来了，那么还可以做什么其他机器人做不到的事情？」对此，我们已经有了一些初步的结果，那就是爬到比机器人本身重心高的地方。在对前肢进行机械改造后，我们将更好地评估可能需要双手同时操作的复杂操作，这在目前的移动机器人中是罕见的。

研究详情可参考项目主页：https://chenaah.github.io/multimodal/

原文链接：https://spectrum.ieee.org/quadrupedal-robot-shins-turns-biped

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