四足機(jī)器人挑戰(zhàn)惡劣環(huán)境

波士頓動(dòng)力的機(jī)器人不僅可以跳躍、開門，抵抗摔倒，甚至還可以在自然環(huán)境中「跑酷」，其超前的尋路算法功不可沒。這樣的技術(shù)真的領(lǐng)先業(yè)界十年嗎？最近，一家瑞士公司放出了其開發(fā)的 ANYmal 的 Demo 視頻，看起來這款機(jī)器人要對(duì)標(biāo)波士頓動(dòng)力的 SpotMini，而且比起后者更加強(qiáng)大。

ANYmal 是由 ANYbotics 推出的機(jī)器人，后者是一家源自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的公司。這款機(jī)器人「四肢」非常靈活：可以保持站立、爬行、快跑、跳躍、從跌倒中爬起、爬樓梯、穿越/清除障礙物。它的軟件似乎比波士頓動(dòng)力公司演示的機(jī)器人更具適應(yīng)性，甚至已經(jīng)引發(fā)了 Andrej Karpathy 等人工智能學(xué)者的關(guān)注。

ANYmal 是一種獨(dú)一無二的機(jī)器人，它『四肢』健全，能夠克服惡劣的環(huán)境。

工業(yè)場所的檢查和監(jiān)視任務(wù)重復(fù)單調(diào)、環(huán)境臟亂差，還有一定的危險(xiǎn)性。為此，瑞士蘇黎世的 ANYbotics 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了機(jī)器人「ANYmal」來解決這個(gè)問題。ANYmal 具有四肢，可以自主完成這些任務(wù)，可攜帶復(fù)雜的傳感器設(shè)備到任何感興趣的地點(diǎn)去。它獨(dú)特的 ANYdrive 系統(tǒng)提供了非凡的移動(dòng)性，使 ANYmal 能夠在惡劣環(huán)境中作業(yè)。

移動(dòng)機(jī)器一直都有代替人類在危險(xiǎn)工業(yè)場所作業(yè)的潛能，但只有近來機(jī)器人方面所取得的進(jìn)展才賦予了它們這種能力。工業(yè)場所的物理布局，包括樓梯、縫隙和其它障礙物都增加了作業(yè)的復(fù)雜性，使得傳統(tǒng)的輪式或履帶式機(jī)器人無法使用。雖然無人機(jī)可以克服其中的一些困難，但它們無法在惡劣天氣里操作，而且其有效負(fù)載能力和能量自主性有限。

為此，ANYbotics 團(tuán)隊(duì)推出了一項(xiàng)激動(dòng)人心的解決方案：ANYmal。這是一款非常復(fù)雜的四足機(jī)器人，專為解決惡劣工業(yè)環(huán)境中的挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。它的體積和中等大小的狗差不多，體重為 30kg。它結(jié)合了高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和穩(wěn)健的硬件。為了在不同的惡劣環(huán)境中自主作業(yè)，它配備了傳感系統(tǒng)來執(zhí)行搜索和援救行動(dòng)、檢查和其它監(jiān)視任務(wù)。

動(dòng)態(tài)移動(dòng)性的挑戰(zhàn)

ANYmal 誕生于對(duì)在工業(yè)場所等環(huán)境中輕松克服地形障礙的機(jī)器人的需求。ANYbotics 團(tuán)隊(duì)集中于增強(qiáng)機(jī)器人的移動(dòng)性、運(yùn)動(dòng)能力和穩(wěn)健性，同時(shí)確保機(jī)器人能被安全控制，并易于由單個(gè)操作人員維護(hù)。

四足設(shè)計(jì)可以提供最佳的移動(dòng)性和多功能性，但它們的腿不能像大多數(shù)機(jī)器臂一樣由經(jīng)典的機(jī)械齒輪系統(tǒng)操控。這種類型的致動(dòng)器（負(fù)責(zé)移動(dòng)和控制裝置或負(fù)載的機(jī)器組件）只能產(chǎn)生緩慢和靜止的運(yùn)動(dòng)（即保持平衡）以減少當(dāng)兩個(gè)物體碰撞時(shí)發(fā)生的沖擊力，例如當(dāng)機(jī)械腿接觸地板。

機(jī)器人研究社區(qū)提出了多種解決方案來應(yīng)對(duì)這個(gè)問題。一種有潛力的方案是系列彈性致動(dòng)器（SEA）。這些兼容致動(dòng)器的設(shè)計(jì)受到了大自然的啟發(fā)：肌腱和肌肉協(xié)同控制力量。SEA 可被描述為通過彈簧或彈性元件來將致動(dòng)器連接到負(fù)載。這種聰明的設(shè)置使得力量可以被精確控制，隨著彈簧的拉伸或收縮它可以提供所用力的信息。此外，彈簧還能吸收沖擊，這增加了它們對(duì)震動(dòng)的承受能力。它還可以在運(yùn)動(dòng)過程中暫時(shí)保存能量，增加能效和峰值功率。

ANYdrive：一種強(qiáng)大的扭矩可控機(jī)械關(guān)節(jié)

ANYbotics 團(tuán)隊(duì)為 ANYdrive 開發(fā)了定制的 SEA 裝置，這是一種緊湊、緊密集成且密封的致動(dòng)器模塊，包含定制控制電子元件。ANYdrive 可以直接調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)扭矩、位置和阻抗，無需任何額外組件。以 ANYdrive 為基礎(chǔ)，機(jī)器人將易于制造、組裝和維護(hù)。如果發(fā)生故障，維護(hù)人員可以快速輕松地更換 ANYdrive 關(guān)節(jié)。

ANYdrive 裝置使 ANYmal 獨(dú)一無二。每條腿有三個(gè)這樣的關(guān)節(jié)裝置，允許大范圍的運(yùn)動(dòng)：髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收、髖關(guān)節(jié)屈曲和膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展。它們使得 ANYmal 可以走路、小跑和跳躍，以及走路和爬樓梯。這些關(guān)節(jié)可以完全旋轉(zhuǎn)，允許腿轉(zhuǎn)到頭頂，以防止與地面或側(cè)軌碰撞，以及確保機(jī)器人能在跌倒后起來。

從實(shí)驗(yàn)室中走來

ANYmal 的突破性技術(shù)始于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）自動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人研究組，據(jù)稱已經(jīng)經(jīng)過了 9 年的研究。其首次嶄露頭角是在法國道達(dá)爾石油公司舉辦的油氣自動(dòng)機(jī)器人挑戰(zhàn)賽上，ANYmal 展示了在惡劣地形中導(dǎo)航和移動(dòng)的能力。在有潛在風(fēng)險(xiǎn)的近海環(huán)境中，ANYmal 在多層工業(yè)石油和天然氣生產(chǎn)平臺(tái)上安全完成了很多自動(dòng)監(jiān)視和控制任務(wù)。

自此之后，研究小組成立了 ANYbotics，將這一機(jī)器人商用化。

協(xié)作研究社區(qū)

ANYbotics 團(tuán)隊(duì)與其他伙伴一起成立了協(xié)作研究社區(qū)「ANYmal Research」來開發(fā)和分享軟件與其它信息，以提高和擴(kuò)展 ANYmal 機(jī)器人的能力。社區(qū)成員包括豐田研究所（Toyota Research Institute）、德國航空航天中心（DLR）、英偉達(dá)（計(jì)算機(jī)硬件和軟件）以及一些有名望的大學(xué)。該社區(qū)可以完全訪問 ANYmal 的控制軟件、模擬、文檔和社區(qū)支持。

ANYmal 的特征和能力

ANYmal 的軟硬件模塊設(shè)計(jì)簡化了設(shè)置和維護(hù)。從物理層面上來看，它的主體是一個(gè)碳纖維輕量級(jí)身體，有 12 個(gè)完全一樣的關(guān)節(jié)裝置（由簡單的機(jī)械連接串聯(lián)起來）。它通過雷達(dá)傳感器、雙聲道和廣角攝像機(jī)感知環(huán)境，橡膠腳墊中的傳感器提供觸覺信息。其有效負(fù)載根據(jù)應(yīng)用而不同，可以是簡單的傳感器，也可以是復(fù)雜的機(jī)械臂操作。對(duì)于工業(yè)檢查，ANYmal 的頭部配備帶有多個(gè)傳感器的云臺(tái)（pan-tilt），包括光學(xué)變焦攝像頭和熱成像攝像機(jī)、瓦斯檢測器、瓦斯泄露檢測超聲波麥克風(fēng)、人工 LED 照明。

ANYmal 從半米高的地方跌下來不會(huì)死機(jī)，傳感器均配有防墜落保護(hù)裝置，泡沫橡膠可以吸收墜落的影響，凱夫拉爾纖維能夠避免機(jī)器人受到底部尖銳物體的傷害。機(jī)器人主體配有計(jì)算機(jī)、電池、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電力管理系統(tǒng)和導(dǎo)航傳感器。它防水、防灰塵，符合 IP-67 標(biāo)準(zhǔn)。一次充電，ANYmal 可自動(dòng)運(yùn)行 2-4 小時(shí)。

ANYmal 強(qiáng)大的大腦就在主體中，包括用于位置控制、定位、繪制地圖和特定任務(wù)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)。所有電子組件都與散熱板相連，以避免器件過熱。ANYmal 的軟件基于開源機(jī)器人運(yùn)行系統(tǒng)（ROS）構(gòu)建，允許快速集成到現(xiàn)有框架和可用軟件的重用。

在 ANYbotics 官網(wǎng)上，ANYmal 機(jī)器人的部分參數(shù)。

現(xiàn)實(shí)世界能力

ANYmal 已被證實(shí)具備在惡劣環(huán)境中工作的能力，因此它可用于大量實(shí)際應(yīng)用。它可以在粗糙的室外環(huán)境中行動(dòng)：爬管道、走樓梯。這使得 ANYmal 可以完美適應(yīng)工業(yè)平臺(tái)，如在礦井、工地或偏遠(yuǎn)地區(qū)巡邏。ANYmal 在工業(yè)界的應(yīng)用將不僅能夠提升效能、減少運(yùn)作成本，還可以減少個(gè)人、設(shè)備和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。此外，ANYmal 可以幫助災(zāi)難救援隊(duì)進(jìn)行更安全的搜索和營救，同時(shí)也支持其他涉及人類交互的活動(dòng)。