硬核干货丨揭示波士顿动力机器人背后的专利技术（下）
导读
之前，我们刊登了一篇波士顿动力四足机器人专利分析的文章，为大家揭秘了其四足机器人的技术前世。了解完前世，想必大家更加好奇的是它的今身是怎样做到如此强大的。今天我们就为大家奉上波士顿动力四足机器人专利揭秘的下半部分。
本文由超凡知识产权投稿，机器人大讲堂整理编辑
上期我们已经欣赏了一波波士顿动力四足机器人的惊艳动图，今天，我们同样先来分享一些它们的风姿。
爬楼的Spot
爬坡的Spot
Spot和SpotMini一起玩耍
最新的10只SpotMini拉动大卡车
自由蹦跶的SpotMini
SpotMini的测试场地
面对如此优秀的波士顿动力四足机器人，我们除了膜拜，最应该做的当然是深挖它的技术背景了。
下面我们先来看看，其四足机器人在面对山地、斜坡、崎岖路面、台阶等复杂地形时，都做了哪些专利布局。
波士顿动力在复杂地形动态规划方面先后布局了9件专利，如下图所示是小波在复杂地形动态规划的相关专利。
复杂地形动态规划相关专利
上坡
为了使机器人在斜坡上保持平稳前行，波士顿动力于2014年7月24日申请且已授权的专利US9259838B1中公开了一种地平面估计方法，具体为：确定机器人与地面的一个或多个接触点的位置和相对于参考系的方向，进而确定机器人与地平面估计之间的距离，根据确定的距离和地平面估计控制机器人调节姿态。
（a）1个接触点 （b） 2个接触点 （c）3个接触点 （d）大于3个接触点
US9259838B1附图
为了使机器人顺利通过高台这类障碍物，波士顿动力于2014年12月29日申请的专利US9440353B1中公开了机器人遇到高台时，利用协调运动控制机器人以便爬上高台。如下图所示，机器人屈曲前腿后弹跳上台阶，同时指定后腿轻微屈曲和伸展，以使机器人身体向前移动并使前腿跳跃于高台上。
(a)屈腿
（b）跳跃
US9440353B1附图
通过高低不平地形时，抬腿太高易导致机身不稳，太低又无法跨过障碍，所以机器人抬腿高度需要依据环境信息做出合理的调整。基于此，波士顿动力于2015年5月12日申请的专利US9594377B1中公开了机器人适用于高低不平的地形的方法。如下图所示，机器人将地形图制成由离散单元组成的矩阵。
US9594377B1附图
机器人在行走时脚的高度变化如下图所示，可以看出机器人抬脚高度与障碍物的高度差基本恒定，不至于太高或太低。
US9594377B1附图
当机器人遇到台阶时如何估计即将行走的地形的平整性，然后调整机身的俯仰来抵消地平面高度差。基于此，波士顿动力于2015年5月15日申请且已授权的专利US9561592B1中公开了一种腿式机器人的地平面补偿方法。
US9561592B1附图
如上图所示，机器人根据特定地形特征的高度以及与该特定地形特征之间的距离确定估计地平面的坡度，进而控制机器人根据确定的坡度按比例调整其俯仰。
当机器人遇到楼梯时，如何定位并维持平衡，基于此，波士顿动力于2015年12月30日申请且已授权的专利US9868210B1中公开了一种机器人爬楼梯的控制方法，下图所示，机器人接近楼梯时首先调整机身的高度和俯仰，在爬升中，机器人所达到的高度和/或俯仰等于或接近等于预定的高度和俯仰，当机器人从楼梯的台阶过渡到水平面时，机器人的前髋关节高度降低，后髋关节高度提升，使机身逐渐水平。
US9868210B1附图
机器人在通过上述路况时需要尽快地检测到触地信号，从而更快地储存能量以便应对下一次的动作，为此，波士顿动力于2015年1月26日申请且已授权的专利US9499219B1中公开了一种机器人的触地感测方法，通过快速触地检测方法，机器人可根据脚部检测的力信号控制肢体的末端的输出力。
冰上翩翩起舞的BigDog像极了两个闷头大打出手的醉汉~
其实这是BD四足机器人一直以来的困扰—凌波微步，虽然这鬼步舞看起来很帅，但专业人士一看就知道，四足机器人在控制不住地打滑。因此，他们又抓紧研究出了四足机器人防打滑技术。
多足机器人大多为圆柱形或半球形足端，足端形状与仿人形足端相比接触面积小，当行走在瓷砖、冰面、油面、湿滑路面时，如果摩擦力不足时很容易导致打滑，如上面所展示的大狗机器人。
通过检索，发现波士顿动力先后提出了8件涉及解决机器人脚部受到滑动问题的专利，如下图：
波士顿处理滑动技术路线
机器人打滑分析
滑动处理
机器人在不同路况面对的打滑情况不同，且打滑程度也不同，为了应对斜坡上行走时产生的打滑，波士顿动力在2014年8月25日申请且已授权的专利US9387896B1中公开了一种机器人脚部防滑处理方法，该方法用于多足机器人的防滑调整。
US9387896B1附图
如上图，机器人脚部在斜坡604上与地面的接触角度在一定范围内(摩擦锥610)可以保持与地面的稳定接触，当超过了610的范围则表明机器人的脚部处于打滑状态。根据滑动量的大小判断滑动情况，如果影响不大，则会在下一步中进行调整，而不是立即在脚上施加反作用力进行调整。
另外，在2014年11月26日申请且已授权的专利US9352470B1中公开了当机器人的脚部与地面之间的摩擦力不足使脚部发生滑移偏航，如果此时直接通过偏转动作使机器人回正则可能加剧机器人打滑。因此，在有些情况下，需要通过调整脚部的横向力和前向剪切力并减小偏航力矩来调整打滑。由于影响机器人步态的因素较多，因此，需要对这些影响步态的因素进行优先级的排序，并基于此优先级调节脚部的受力分配。
机器人在某些地形受到较大滑动时较难恢复稳定状态，基于此，波士顿动力在2016年1月25日申请且已授权的专利US9925667B1提出了一种克服连续打滑的恢复方法，其采用的方案下图所示。通过判断脚部的位置与机身参考位置之间的差值和机器人的运动速度，根据该差值和速度进行调整，判断调整后的差值是否小于预定值，如果不满足，则将新的位置信息进行下一次的迭代，直至机器人恢复稳定状态。
US9925667B1附图
摔倒恢复
当然，机器人也会一些严重的打滑情况，面对这种情况防滑策略已无法起作用，如SpotMini在踩到香蕉皮后的表现。
机器人摔倒
基于这种情况，波士顿动力在2014年7月24日申请并授权的专利US9308648B2中公开了一种机器人自我回正的方法，在确定了机器人处于不稳定的状态后，开始执行恢复稳定的多个动作，稳定位置可以是坐、站立或者爬行等。该专利中通过质心投影法判定机器人的状态，如果质心位于由各个脚的位置限定的多边形的外侧则认为机器人处于不稳定状态，反之则认为机器人处于稳定状态；另外，也可通过机器人底表面上的传感器是否与地面接触进行判断。
US9308648B2附图
上图中的机器人为了返回稳定位置将地面侧的两条腿向上移动，机器人改变质心位置可以使机器人返回到稳定位置。恢复稳定后，则机器人可以站立并且继续行走；如果仍处于不稳定位置，则继续动作直至恢复到稳定位置为止。波士顿动力将该专利先在美国进行专利申请，之后通过PCT国际申请进入中国、欧洲和日本，可见波士顿动力对该项技术的重视。
机器人偏航调整分析
当机器人受到外部扰动或是打滑时会造成机器人行走偏航，一旦机器人偏航就需要立即调整从而确保机器人按预定方向行走。
机器人受到侧踹
机器人在受到侧踹后通过脚步的调整恢复正常行走。通过检索，发现波士顿为实现机器人的偏航调整，提交了5件专利申请，以下为偏航处理专利技术发展进程。
机器人偏航处理的技术发展进程
其中，为了应对滑移扰动，波士顿动力在2014年11月26日申请且已授权的专利US9352470B1中公开了用于机器人偏航调整的方法：当机器人受到扰动时，传感器检测到身体与脚之间的第一偏转角和脚与地面之间的第二偏转角，判断第一和第二偏转角之间的差值，如下图所示，根据该差值确定机器人身体的偏航值，调整机器人脚部的驱动力使机器人回到预定的方向行走。
US9352470B1附图
下图示出了机器人从检测到扰动至恢复预定线路行走的路径图。
US9352470B1附图
在2015年3月16日，在波士顿动力提交的专利申请文件US20160052136A1中公开了在受到中等干扰下的机器人身体回正方法，在调整脚部已无法回正的情况下，通过检测机器人躯干的关节角以及身体的方位信息，通过上述信息评估机器人的身体方位偏差，控制器向机器人关节发送指令使机器人回到正常的方位。
US20160052136A1附图
在2015年8月25日波士顿动力提交的专利US10081098B1中公开了当机器人受到较大的扰动时，在无法通过身体姿态调整回正的情况下通过步伐的持续调整而使机器人身体回正，如下图，机器人通过3次的步伐调整实现了稳定的行走状态。
US10081098B1附图
腿的避碰分析
当机器人在奔跑或是为恢复稳定而大幅度调整腿的位置时，就需要保证机器人各腿之间协调动作，避免发生碰撞。基于此，波士顿动力在2014年11月11日申请且已授权的专利US9446518B1中公开了机器人避免腿部碰撞的方法，如下图，当站立脚的摆动范围误差区落入移动脚与目标落地点的连线上时，通过在摆动轨迹中插入一个或者多个中间点，使移动脚先移动到中间点，越过中间点后，再使移动脚移动到触地位置,从而避免移动脚与站立脚之间的碰撞。
US9446518B1附图
以上，便是波士顿动力关于应对复杂地形及扰动所做的专利布局。希望本文能给您带来一些帮助。
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