机器人ppt

发布时间：2023-06-11 作者：admin 来源：文学

机器人ppt

2023年3月3日发(作者：中国玉文化)

波士顿动力机器人技术细节分析

波士顿动力这家公司的创始人叫做MarcRaibert。这个名字可能

到现在知道的人也不算多，但是在未来，或许会是对世界影响最大的

人之一。马克·雷波特并不年轻，1949年出生，身为麻省理工的教授，

雷波特一手创办了波士顿动力这家公司。由于其在麻省理工的名望，

又源源不断的吸收着最顶尖的人才加入这家机器人公司。

与比尔·盖茨、扎克·伯格等一些同样出身名校，却因为发现商业机

会提前离开学校的科技先锋不同，雷波特从大学毕业起就一直呆在象

牙塔里，是个典型的学术派创业者。

1977年马克·雷波特获得了麻省理工博士学位1980年在卡内基·梅

隆大学创立了CMUleg实验室并担任副教授，主要从事研究与机器人

相关的控制、机器视觉放方面的技术。

到了1986年，马克·雷波特回到麻省理工并任电子工程与计算机

科学系的教授，他将实验室搬到了麻省理工学院，继续他的机器人事

业。

1992年，雷波特与他人一同创办了波士顿动力，起初是为美国陆

军提供机器人研究制造的企业，服务过包括美国国防高级研究计划局

(DARPA)在内的很多军方机构，甚至还获得过国防部几千美元万的投

资。

正如肯德基创始人哈兰·山德士上校一样，如今已是68岁高龄的雷

波特依然是一个充满热情的创业者。并且他已经将大半辈子的时光都

投入了机器人事业，来完成他那个普通人看起来疯狂的梦想——将双

足或四足机器人发展成为一种超自然状态，变成自然界的一种新生物。

尽管过于超前的技术，和短期内难以实现商业化的尴尬现状，使

得波士顿动力这家排名世界第一的机器人公司在大企业间辗转来回，

频频碰壁。但是波士顿动力发布过的机器人，已经深深印刻在了我们

的脑海中。

创始人对机器人技术极致的追求，也敦促着波士顿动力机器人不

停地更新迭代。从最早爆红的军用机器人大狗开始，波士顿动力每出

一款机器人都及其引人注目，甚至会掀起一阵阵机器人要逆天的伦理

性大讨论。

LegLab早期一条腿机器人的试验在LegLeb，我们可以看到今天

波士顿动力机器人的早期雏形研究的样子，可以明显感觉到这些今天

的产品就是当年LegLeb的后续，当时的研究都是一条腿怎么工作。在

1992年的时候，他还在MIT当教授，但是已经创立了波士顿动力。

LegLeb四条腿的机器人雏形

MarcRaibert在研究过程中获得的专利很多，这里列举两个，一

个是编号8126592，执行器系统，这个专利是相关机器人的连杆、液

压、载荷传感、控制电路相关;另外一个是专利号6484069，机器人装

置和用于控制机器人跳跃装置的方法，顾名思义，没有这个核心专利，

应该就没有刷屏的后空翻。

专利8126592的示意图之一波士顿动力公司最早创立，是和美国

系统公司一起给海军空战中心训练系统部门(N)开发软件。这个核心是

DI-Guy，说白了就是软件模拟活人，当时联合开发的项目是用3D视

频来替代真人视频进行航空器发射训练指导，模拟活人是其中的任务

之一。

在DPa的资助下，产生了大量军用黑科技，后来又转入民用，比

如GPS、互联网，再到后来，波士顿动力为DPa，也就是美国国防部

高级计划局研究四足机器人。

军用目的开发的LS3可以看到装甲

DPa给波士顿动力的要求是研究能为士兵提供载荷的四足机器人

(在LS3基础上改进)，并且要足够安静以适合载荷任务，并且能承受轻

武器的攻击，这个机器人要求能满足24小时、载物400磅行走20英

里(约32公里)。这个机器人的动力来源其实是马达和燃料，因此有解

决不了的噪音问题，所以对于执行潜行任务、特种作战来说来说是个

灾难，并不合适，项目没有彻底解决问题。

大狗BigDog类似LS3的就是我们熟知的BigDog，波士顿动力

是联合了NASA的喷气推进实验室等机构联合开发。大狗一样没有用

轮子而是用四条腿行走，大狗厉害之处是超强平衡，可以攀爬陡坡当

时被称之为“世界最有雄心的机器人”，可以背负150公斤，能以每

小时6.4公里的速度行走，并且能攀爬35度的陡坡。

BigDog(大狗)是让波士顿动力声名远播之作，BigDog是一款能

够适应复杂地形条件的机器人，能行走、奔跑、攀爬以及负载重物，

由液压系统驱动引擎。BigDog的四条腿和动物一样拥有关节，可吸收

冲击，每迈出一步就回收部分能量，以此带动下一步。

BigDog的体格与一只大狗或小骡子相当。大约3英尺约合0.9米

长，2.5英尺(约合0.76米)高，体重240磅约合109。奔跑速度为4

英里/时(约合6.4公里/时)，最大爬坡度数为35度，可在废墟、泥地、

雪地、水中行走，可负重340磅(约154。

BigDog的机载计算机能够控制躯体移动和过程传感器，还能处理

通讯。其控制系统保持躯体平衡，在不同的地形选择不同的运动和导

航方式。BigDog的运动感测器包括：联合位置、联结力、接地触点、

接地负载、一个雷射陀螺仪、一个激光雷达和立体视觉系统。它的其

他传感器则专注监测内部各项指标状态，如液压、油温、引擎功能、

电池充电情况等。该研究项目由DPa提供资金支持。

通用平台的小狗Littledog

波士顿动力给DPa开发过的不仅仅是大狗，还有小狗

LittledogLittleDog是一款用来研究移动的四足机器人样机，研究人

员用它来探测运动学、动态控制、环境感知与复杂地形移动之间的基

本关系。目前LittleDog在麻省理工学院、斯坦福卡内基梅隆大学、南

加州大学、宾夕法尼亚大学等高校均有所应用，同时也是DPa投资的

先进机器人项目。

LittleDog有四条腿，每条腿都分别有三个电机驱动，可移动范围

非常大。这个小小的机器人能够爬坡、也能实现动力学运动步态，其

机载PC电脑随身携带的PC级别的电脑用控制致动器、处理传感器信

号和外界交流。

LittleDog的传感器主要负责测量关节角度、电机电流、体平衡和

接地触点的状况，机载锂电池能保证30分钟的连续运行。并可通过无

线通信和数据采集系统，可以进行远程遥控和数据分析。该项目由

DPa信息处理技术办公室提供资金支持。

狗体积只有30多厘米长。别看个头小，小狗一样有波士顿动力招

牌式超强的四足平衡能力。但是这不是专用机器人，而是一个通用平

台，提供操作的API和遥控接口，使用锂电池可以无需充电使用30分

钟，因此能干什么就要看DRpa和军方的需求了。

波士顿动力的机器狗成名之后，当时的谷歌非常喜欢机器人项目

又财大气粗，因此收购了很多机器人公司，其中就包括了波士顿动力，

把机器人公司归结到了GoogleX项目下，就是谷歌着眼于未来的研究。

但是在2017年，谷歌又把机器人公司转手卖给了软银的孙正义。

谷歌那边透露出来的消息是波士顿动力不服管理难沟通。但是在笔者

看来，是路线之争。波士顿动力是学术派，只醉心于机器人的研究，

包括给DRpa的项目其实也都没有成功。

而谷歌换了人当CEO之后，开始追逐绩效，所以希望波士顿动力

先出一个商用机器人，能量产卖钱然后用利润去维持研发，这显然与

学院派的人物先研究、再产品的路线不符合。其实硅谷的基因里面，

就有高利润企业养黑科技发育的传统。比如当年AT&T的贝尔实验室、

施乐的PARC等等。不过事情还是挺戏剧性的，波士顿动力归了孙正

义的软银之后，居然展示了一个完成度非常高的产品SpotMini，怎么

看这个机器人都非常接近能量产的状态，不知道谷歌看到这个东西会

不会气炸了肺，抑或是高管们的耐心没等到这个产品。

波士顿动力不仅仅只有BigDog和Atlas用于测试化学防护服装的

PetmanPetman

Petman是一款用于测试化学防护服装的仿人机器人，自然又敏捷

的运动对Petman来说是至关重要的，因为它需要模拟士兵在现实条

件下对防护服的反应。

不同于以往运动受限且过度依赖机械支持的测试机器人，Petman

能够自主平衡，运动也更加自由在接触化学战争物质的情况下穿着防

护服完成行走，弯腰以及各种动作。Petman能调控自身的体温、湿度

和排汗量来模拟人类在防护服下的反应，从而达到最佳的测试效果。

Cheetah(猎豹)

Cheetah是目前世界上速度最快的腿式机器人，奔跑速度超过29

英里/时(约合47公里/时)。其背部结构是关节型的，能够随着每一个

动作灵活地来回移动，提高了步幅和奔跑速度，这与动物的运动原理

相差无几。它的驱动力来自外部的液压泵。DPa为该机器人的项目提

供资金支持。

WildCat(野猫)

WildCat实际上是Cheetah的自由运转版本，虽然它的速度尚未

达到Cheetah的水平，但这种四腿机器人无论遇到哪种地形，也能以

16英里/时(约合25公里/时)的速度奔跑。此外，它还可以快速跳跃和

转身。

SandFlea(跳蚤)

SandFlea是一个只重约11磅(约合5)的侦察机器人。在平地上它

能像遥控模型车一样飞驰，最重要的是，为躲避障碍它可跳起30英尺

(约合9.1米)高左右，这弹跳力能轻而易举地跳过一面复合墙、房顶、

一组楼梯的顶端。

在飞行过程中，SandFlea的内置陀螺仪使其保持水平状态，为机

载摄像机提供清晰的视角，并能保证平稳着陆。每充电一次，

SandFlea可弹跳25次。美国军方为波士顿动力公司的该项目的研发

提供资金支持。

Rise

Rise是一款能够垂直爬行的机器人，墙壁、树木、栅栏等都不在

话下。爬行过程中，Rise的脚上附有很多微型爪，它们紧紧地吸附在

物体表面上。Rise通过改变自身姿势符来适应不同的表面，随着高度

的上升，它的”尾巴”有助于提高平衡。Rise只有25厘米长，重约2，

爬行速度为0.3米/秒。

Rise共有六条腿，每条腿都由两个电动马达来驱动，机载电脑控

制腿部的动作及通信，服务多个传感器，包括关节位置传感器、应变

传感器和腿足部接触传感器。该项目由波士顿动力公司与宾夕法尼亚

大学、卡内基梅隆大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学等高校的

研究人员共开发，DPa提供资金支持。

Atlas

Atlas是波士顿动力类人双足机器人，可以说是被谷歌收购后的巅

峰之作，也是这款机器人让波士顿动力变得家喻户晓。Atlas经历了三

个版本的更新，最新一代发布于2016年2月，身高为59英尺，体重

仅为82，这款机器人较初代双足机器人不仅体型更小、重量更轻，而

且导航能力、突破障碍能力、保持平衡能力、目标识别能力以及自我

恢复能力都有了很大的进步。

Atlas身高1.5米，体重80kg，速度1.5m/s，依靠28个液压执

行器实现各种高难度运动。根据专利和视频推断，足部踝关节由两个

直线执行器并联驱动，髋关节和手臂多是伺服摆动缸。至于具体的结

构形式，不确定是叶片式，还是专利提到的柱塞式。髋关节处的多运

动输出很是令人神往。从图片可以推断，Atlas和BigDog-06版的腿

部结构相似，采用的同样的原理，控制方法也类似。后来不断迭代，

研制出高2，重200kg的过渡版，质量过重限制了它的运动能力，在

拓扑优化和增材制造等技术的加持下，实现了60%的减重和外观设计，

如右图所示。

Atlas360度全景图按照PPT中对HPU的参数标注：~5kW/5Kg，

结合对市场上高功率密度电机的了解，推断是永磁同步电机+高速泵，

或者无刷电机+泵（Spot服役的海军实验室一直在研究无刷电机驱动

泵来实现降噪）。猜测和奔驰车上的主动控制单元RAPA电动泵的设

计思路有相通之处。

Atlas进化史

RAPA电动泵由内齿轮液压泵、永磁同步电机和48V控制设备组

成，通过一体化设计，并集成电路控制板等设备实现紧凑的布局。轴

向尺寸减小，重量降低，可靠性提高。

各组件的优化效果RAPA电动泵单元

效率一直是足式机器人关注的问题，效率高对原动机的指标要求

就可以降低，从而达到轻量化的效果。波士顿动力使用了自己研发的

DirectDriveValve，和MOOG公司的双喷嘴挡板式阀，能耗减少25%，

极低的泄漏和更快的响应时间，可能这就是偌大的机器人的驱动功率

只需要5kW的答案。

DDV阀的性能特点

PPT中提到的机器人制造过程中的挑战，主要集中在加工零件价

格昂贵、机器人专用的元件少和清洁度、安全性等方面。

机器人制造的挑战

目前，Atlas已经可以熟练完成垂直起跳、跨越障碍、后空翻，甚

至和Spotmini一起舞蹈，并逐步开启手脚都参与的跑酷功能。但和人

类相关的还是要有交互，帮助人类完成一定的任务。

Atlas垂直起跳Atlas跨越障碍Spot/SpotMini

Spot是2015年2月发布的四足机器人，曾是波士顿动力体格最

小的四足机器人(如今是SpotMini)，这款身高仅一米有余的机器人前

几日甚至还参与了美剧『硅谷』的拍摄。

SpotMini是Spot机器人的新型且更加小型的机器人版本，加上

机器臂是29.5，而且防水。一次充电可以跑90分钟，且是纯电动的，

没有任何液压系统在身体上，所以是波士顿动力机器人里面最安静的

机器人之一。而且它的身体上还安装了大量的传感器，例如深度摄像

机、姿态传感器、以及肢部的本体感受传感器。这些传感器可以帮助

SpotMini完成各项复杂的动作以及巡航。

Handle：首款足+轮式机器人

Handle是波士顿动力研发的首款”足+轮式”机器人，身高1.98，

纵跳可达1.2，轮子可以以14km/h的速度前进。整个机器人由电池供

能，驱动电机和液压泵。无需外接设备，一次充电续航24km。能轻

松越过障碍物，无论是在斜坡还是有障碍物的环境都表现出了很好的

柔性，也代表着波士顿动力将机器人的混合控制技术带到了一个新的

高速。

作为时代最强，没有之一的双足机器人，只要对外公布Demo绝

对燃爆朋友圈当然，这也符合波士顿动力公司对双足机器人的期待—

—BuildingtheWorld''sMostDynamicHumanoidRobot（打造世界

最强动态性能的人形机器人）。

当前的技术水平下，机器人可以实现娱乐、复杂环境的检测、开

关门等简单任务但人类对机器人的功能想象是无止境的，自然希望能

够实现搬运、建设、照顾老人等任务。

机器人能力和操作应用四足机器人动力系统分析

动力问题是机器人的核心问题，关系着机器人能否动起来工作时

间的长短。波士顿动力早期的机器人主要是电机通过齿轮驱动连杆机

构，对于没有载荷要求的机器人而言是足够的对如Bigdog这类以内燃

机为动力且需搭载较大负荷的机器人则显得力不从心为此，波士顿动

力在液压驱动方面布局了较多专利，如下图的液压控制技术发展路线。

BigDog系统能耗高的问题突出，能量的多次转换、多环节传递造成了

大能量损失，如下图所示为足式机器人在前行中理想的足部轨迹，腿

部的运动是通过液压系统实现，在理想轨迹下机器人可降低液压驱动

能耗。

波士顿动力液压控制发展路线图

足部理想轨迹图

足式机器人在不同场合需要不同的功率供给具有不同功率模式切

换是降低功耗的重要手段为此，波士顿动力在2008年10月14日提

交的专利US2A1中通过传感器检测力，控制器控制阀适

时进行开关动作，实现按需高功率或者低功率模式。在此基础上，波

士顿动力在2011年5月18日提交的专利申请US2A1中

公开了一种具有高压油路中压油路和低压返回油路的液压系统，如下

图所示。

US2A1附图

为了提高机器人运行的效率、减小功率消耗以及提高运动的稳健

性，波士顿动力在2014年8月1日提交的专利US2A1

中通过判断关节承受的载荷类型和大小，以选择适当的液压或电动器，

使得机器人的功率消耗最低。如下图所示，机器人根据不同的负载选

择不同的驱动方式组合。

US2A1附图

下图是机器人的期望驱动力，期望的力为液压驱动力和电驱动力

的总和液压驱动为离散力，电驱动为连续的力，两种驱动方式相互补

充从而形成期望的力，达到最佳的驱动效率。

US2A1附图

外，波士顿动力还在提高液压系统的稳定供压通过不同压力组合、

分阶段供压、提高液压部件损坏工作寿命、提高阀的响应速度等方面

均进行了专利布局。以上这些专利中的技术均用于保证液压系统高效

和可靠工作。

四足机器人步态分析?

解决了动力方面的问题后，还需解决机器人如何动的问题。四足

机器人在行进时不同的时间段需要不同的行进速度而不同的行进速度

对应不同的步态四足机器人的步态包括Walk（慢走）、Trot（小跑）、

Bounding（跳跃）、Gallop（飞奔）。

Wildcat奔跑转向

上图中的Wildcat正在以Bounding步态奔跑并完成了奔跑状态

下的转向，整个过程都很流畅。可看出波士顿动力已经很好的解决了

机器人在各种速度下的步态转换。下面将波士顿动力在该方面的专利

进行如下分析。

1步态转换

步态转换技术发展

通过检索，波士顿动力在步态转换方面先后申请了6件专利，其

技术发展如上图所示，主要涉及如何实现不同步态、制定步态转换准

则、制定步态列表等。

2步态控制和转向

TrotGallop

波士顿动力在2014年12月17日申请且已授权的专利

US9395726B1中公开了机器人通过控制俯仰角、高度、速度以及其

产生的力实现不同的步态下图所示，Bound步态用于完成一般奔跑，

而Gallop步态适合于高速奔跑。

US9395726B1附图

而当机器人需要转向时，可通过横向移动侧方的两条腿并配合转

动和偏航角来实现机器人整体的转弯如下图所示。

US9395726B1附图

3.制定步态准则

基于上专利涉及的不同步态，波士顿动力为实现各种步态转换制

定了步态准则，并在2015年7月23日申请且已授权的专利

US9931753B1中公开了可自动实现所需步态的转换的方法，通过识

别当前的步态信息，根据不同的操作标准判断当前的步态是否属于其

中，并按照其中的一种步态行走。

4.制定步态列表

波士顿动力为实现各种步态的顺利转换，制定了步态列表并可查

询，其在2015年11月3日申请且已授权的专利US9789607B1，以

及在2016年06月27日申请且已授权的专利US10017218B1中均公

开了基于转向命令使足式机器人实现目标步态US9789607B1侧重于

不同步态列表的查询、US10017218B1侧重于相同步态的腿的行走顺

序并避免失步，如下图所示为制定的步态列表。

US9789607B1附图

根据不同的速度区间设计不同步态，并排列成步态列表，在机器

人内部存储有多个步态列表。实际操作中，根据机器人的行走速度判

断所处的状态，遍历列表，直至获得相符的步态，进而控制机器人以