说到人形机器人你会想到什么？它就是著名的波士顿动力Atlas双足机器人，或Pepper，软银旗下的一款萌芽机器人。事实上，仿人双足机器人的研究和发展已经有几十年的历史。如今，以Atlas为代表的高级人形机器人已经能够完成平地和斜面行走、上下楼梯、崎岖地形越野甚至后空翻等高难度动作。
波士顿动力公司的Atlas机器人性能惊人(来源：波士顿动力)
然而，尽管有这些进步，双足机器人仍然有一个最致命的缺点，那就是在敏捷性和运动效率上永远无法与人类或动物相抗衡。
那么制约双足机器人发展的关键是什么呢？或许大多数人的第一反应都会联想到技术的匮乏：我们现在的电机动力不足，制造机器人的材料不够硬，处理机器人程序的计算机不够快.令人惊讶的是，这些技术上的担忧并不足以阻碍机器人的发展，但真正的限制因素是人类对腿部运动如何工作的基本理解仍然不足。
看到这一点，俄勒冈州立大学动力机器人实验室的乔纳森赫斯特领导了一个研究小组，试图找出腿部运动的基本原理，并将他们的发现应用到双足机器人上。
图乔纳森赫斯特(来源：俄勒冈州立大学)
目前，乔纳森赫斯特在从事科学研究的同时，也投身于机器人创业的浪潮中。他创立了Agility Robotics并担任首席技术官，致力于探索双足机器人的商业用途。
2017年，乔纳森赫斯特的公司推出了双足平台Cassie，随后推出了带手臂的数字机器人。在应用场景中，乔纳森赫斯特首先考虑的是使用这种双足机器人来照顾老人和体弱多病者，参与火灾或地震灾难救援和投递包裹。当然，稍微科幻一点的机械外骨骼也会让这种双足机器人成为热门的应用方向。
敏捷机器人公司的Cassie(左)和Digit(右)。
灵感来源于鸟儿奔跑。
那么，乔纳森赫斯特是如何获得研究腿部运动原理的灵感的呢？原来，他和同事在与伦敦皇家兽医学院合作的过程中，在实验室里长时间观察鸟类的行走和奔跑。他们发现鸵鸟、火鸡、珍珠鸡和鹌鹑这些飞行能力较弱的鸟类更擅长奔跑。
例如，在一个实验中，一只珍珠鸡沿着跑道奔跑，当它踩到一个用一张薄纸盖住的洞时，这只鸟并没有意识到自己即将踏入一个大约半尺深的洞。就在这时，神奇的事情发生了：珍珠鸡没有调整自己的奔跑节奏，它的腿自动伸出来适应天坑的深度，很像摩托车的减震器或者坦克的悬挂系统。更神奇的是，在这个过程中，鸟的大脑不需要感知路况，也不需要对干扰做出反应，所有的处理都由腿自己来处理。
图尔珍珠鸡
这一发现为机器人设计者提供了一个重要的思路：如果你先制造你的机器人，然后试图让它变得敏捷，那么你很可能会失败。而如果你的机器人能够像珍珠鸡一样，自身的灵活性主要来源于其固有的机械特性，或者具有机器人专家所说的被动动力学特性，那么成功的概率就会大大提高。但遗憾的是，在大多数双足机器人项目中，这一点都被忽略了。
当然，需要注意的是，虽然乔纳森赫斯特的灵感来自鸟类，但他们并不一定要一步一步地复制鸟类腿部的形状或者人类腿部肌肉和骨骼的排列。相反，乔纳森赫斯特希望捕捉动物运动的物理原理，提取出研究人员能够理解的数学模型，然后在计算机模拟中进行测试，最后通过真实的机器人来实现。
顺着这个思路，研究人员提出了一个最简单的数学模型：一个质点(代表上半身)与一对理想弹簧(代表腿)相连，因此这个模型也被称为“弹簧-质量模型”。虽然这是一个类似于简笔画的简化模型，但它没有考虑关节或脚在离散点不接触地面的情况。然而，该模型仍然可以产生在模拟中观察到的人类和动物的几乎所有行走和奔跑步态。
虽然Atrias的腿看起来不像人类的腿，但这个机器人是第一个展示人类行走步态动态的机器。
为了在机器上测试“弹簧-粒子模型”，俄勒冈州立大学的乔纳森赫斯特团队与卡耐基梅隆大学的哈特穆特盖耶(Hartmut Geyer)和密执安大学的鞠波格里斯(Michael Grizzle)合作开发了ATRIAS双足机器人3354，这意味着“假设机器人是一个球体”。
他们用轻质碳纤维棒制作了机器人的每条腿，并将其排列成平行四边形结构，这种结构被称为四连杆机构。这种结构的优点是最小化了腿部的质量和惯性，使其最大程度地接近“弹簧-质量模型”。此外，研究人员还在机械腿的上部安装了一个玻璃纤维弹簧，它代表了模型的“弹簧”部分，以应对地面冲击并储存机械能。
当然，研发过程并非一帆风顺。起初，ATRIAS几乎站不住，所以乔纳森赫斯特和他的同事们不得不用一根吊在上面的缆绳来拖它。但是当研究人员改进了可以跟踪机器人身体速度和倾斜的控制器后，ATRIAS迈出了第一步，然后他就可以在实验室里踱步了。
之后，ATRIAS学会了从被打扰中恢复过来。例如，在一项实验中，乔纳森赫斯特的学生向ATRIAS扔了一个躲避球，研究人员将ATRIAS带到学校足球场，将其最高速度提高到7.6公里/小时，然后迅速停止。事实证明，机器人在这些情况下表现良好。
虽然灵活性很重要，但心房的节能也很关键。研究人员使用一个叫做运输成本的参数来检验这一点。该指数定义为能量消耗与重量乘以速度的比值，用于比较动物和机器运动的能量效率。
例如，行人的COT值为0.2，而一些估计显示，传统人形机器人的COT值更高，范围为2至3。ATRIAS在行走模式下的COT为1.13，证明该机器人具有明显的效率优势。事实上，一些小型锂聚合物电池，如用于遥控车的电池，可以让ATRIAS运行长达一小时。
研究人员还测量了机器人在地面上施加的力。他们将重达72.5公斤的ATRIAS放在测力板上，通过测量地面反作用力来评估机器人的步态。当心房行走时，研究人员记录了力的数据。然后他们用乔纳森赫斯特的一个学生代替了阿特里斯，并记录了他的脚步。随着时间的推移，一个令人鼓舞的结果出现了：——。这两个数据集的结果非常相似，而且据我们所知，这是迄今为止人类步态动力学最真实的机器人呈现。
最后，研究结果表明，在机器人中嵌入一个简单的“弹簧-质量模型”系统，可以使研究人员寻求的效率、鲁棒性和灵活性等许多特性达到理想值，还可以发现腿部运动的核心秘密。于是，就有了前面提到的敏捷机器人公司的Cassie两足平台。
为了灵活地穿越复杂的地形，Cassie使用了五个电机，每条腿上都装有两个弹簧。
就像心房一样。乔纳森赫斯特的团队优化了凯西设计的每个方面，目标是制造一个耐用的机器人。具体参数来说，Cassie的重量只有31kg，只有ATRIAS的一半，而铝和碳纤维材质的后备箱以及由一种坚固的塑料制成的保护壳使其更加坚固。
事实上，根据测试结果，卡西的腿与鸵鸟的腿非常相似。为了满足商业化的要求，乔纳森赫斯特为凯西制定了非常高的标准：她可以在没有安全绳的情况下穿越森林，走过崎岖的地形，依靠电池连续工作几个小时。
应该指出的是，尽管Cassie与ATRIAS基于相同的开发理念，但乔纳森赫斯特的团队决定给它一个全新的支架。研究人员在心房的每条腿上使用两个电机来驱动平面四杆机构。这种布置的优点是尽可能减少它们的质量。但折中的办法是，一个电机在步进循环中执行制动功能时会影响到另一个电机，导致大量不必要的能量浪费。在这方面，在Cassie，研究人员开发了一种替代的腿部结构来消除这种影响。这种新设计使得马达更小，这使得机器人比ATRIAS更有效率。
为了实现灵活性，Cassie的每条腿都有五个运动轴，每个轴都由一个电机驱动。臀部有三个运动轴，与人类非常相似，这使得卡西的腿可以向任何方向摆动。此外，机器人的膝盖和脚关节由两个电机驱动。Cassie的胫骨和踝关节有额外的运动轴，这些轴是被动的，不受电机控制，而是连接到弹簧上，帮助双足机器人在原本无法很好处理的复杂地形中移动。
Cassie的腿需要一个比ATRIAS更复杂的低级控制器。对于ATRIAS来说，要伸展一条腿，只需要两台发动机施加大小相等方向相反的扭矩。对于Cassie的腿来说，向特定方向移动脚需要计算每个电机的不同扭矩。为此，控制器需要考虑腿部的惯性以及电机和变速箱的动态特性。
Cassie的控制器使用设定的脚放置和动态平衡来使机器人爬楼梯。
虽然控制问题变得更加复杂，但也让机器人有了更好的性能和更多的行为。例如，Cassie在研究人员的初始控制器控制下可以达到5 km/h的行走速度，功率从100瓦(站立)到300瓦(行走)，锂离子电池可以连续工作5小时左右。同时，这种新型腿还可以让Cassie以ATRIAS无法做到的方式向前移动。
虽然Cassie还没有跑过树林，但研究人员把它带到了户外，让它在泥土、草地和树叶覆盖的道路上行走。除了学习如何将机器人的动态行为与运动规划结合起来，他们还在研究另一个功能，即给像Cassie这样的机器人增加一个更有用的组件—— arm。
Figure Digit的腿与Cassie的腿相似，但它的躯干布满了传感器，并有一对灵活的手臂。
数字机器人走上一层楼梯
作为卡西的直系后裔，Digit拥有类似的腿部结构，但研究人员为其增加了一个躯干和一对手臂。手臂和步态的协调摆动可以帮助机器人提高其机动性和平衡能力。同时，手臂的设计还可以在摔倒时支撑Digit，使其能够调整身体重新站起来。
Digit有一个Cassie没有的东西：综合感知。乔纳森赫斯特和他的团队给数字机器人添加了许多传感器，包括躯干上方的激光雷达。这些传感器将有助于收集数据，并使机器人能够在充满障碍的环境中行走，如凌乱的房间和楼梯。
当然，以Digit为代表的双足机器人还有很长的路要走。但乔纳森赫斯特认为，它们将改变世界，未来双足机器人的影响可能会像汽车一样大。
那么这些双足机器人会派上什么用场呢？我们可以想象，在不久的将来，随着自动驾驶的到来，Lyft和优步等汽车制造商和出租车公司将拥有大量车辆，在高峰时段运送乘客。但是这些自动驾驶汽车在半夜和白天会做什么呢？他们可以把你的包裹从自动化仓库运送到你家门口，这时，双足机器人就发挥作用了。他们会解决最后几米的货物运输问题，真正把货物送到你手上。
图图数字正在学习在不同类型的道路上行走。也许有一天它会把包裹直接送到你家门口。
随着送货机器人成为高度自动化物流系统的一部分，这种直接送货到家的系统比今天从商店购买商品要便宜得多，以至于今天出售日常商品的商店将变得多余。此外，双足机器人将使机器人更广泛地应用于我们的家庭和商业活动中，它们将越来越多地出现在救援和救灾中。
“为了实现这个目标，我们需要解决很多挑战。”乔纳森赫斯特说，“但我相信机器人技术可以让这一愿景成为现实。这将是机器人的一小步，人类的一大步。”
