MIT一直是機器人科技的先驅(qū)，如今它們發(fā)明了一種機器獵豹，可以說是世界上最敏捷的機器人。
獵豹是陸地上奔跑最快的動物，能在短短幾秒內(nèi)加速到60英里每小時。在加速過程中，獵豹會四肢兩兩并用，跳躍加速?，F(xiàn)在，MIT的研究人員開發(fā)出了一套跳躍算法，并將它用在了機器豹身上。
機器豹擁有四肢，配置了齒輪，電池，電動馬達，與動物獵豹的重量也差不多。研究團隊對機器豹進行了測試，它能穩(wěn)定地在草地上跳躍前進，最高時速能夠達到10英里，能夠跳躍超過一英尺(30cm)的障礙物。據(jù)預(yù)計，機器豹的最高時速能達到30英里。
有網(wǎng)友在知乎上問：MIT 獵豹機器人算法有多復(fù)雜？為什么國內(nèi)不能研發(fā)出這種機器人？
有專業(yè)的答主做了以下回答：
其實MIT Cheetah（獵豹）的算法還真不算復(fù)雜，至少目前還不復(fù)雜，但是，國內(nèi)依舊做不出來，所以原因還不在算法上。
看完其他人的答案，相信大家也區(qū)別出MIT Cheetah和BDI的Cheetah的不同了，題主關(guān)心的MIT Cheetah，是MIT Biomimetics Robotcs Lab 副教授Sangbae Kim團隊設(shè)計和制作的電驅(qū)動四足機器人，其基本思想是模仿真實的獵豹，實現(xiàn)高速奔跑，因此該團隊目前的工作主要在如何提高MIT Cheetah的奔跑速度上。
MIT Cheetah四個主要設(shè)計理念都是為提高該機器人的奔跑速度以及奔跑時間（能量效率）服務(wù)的。為實現(xiàn)快速奔跑并提高能量利用效率，MIT Cheetah的設(shè)計者主要做了三方面的重要工作：1）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；2）執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計）；3）控制器設(shè)計。就目前的情況來看，機械結(jié)構(gòu)以及執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該說是該機器人能夠成功的關(guān)鍵，但是在機械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)定型后，控制器的設(shè)計將會越來越重要。下面針對這三點分別談?wù)勎易约旱恼J(rèn)識。
1）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
MIT Cheetah的機械結(jié)構(gòu)是從動物中獲得的靈感。
Kim在CMU的一次講座中提到他在一個視頻中看到一只細(xì)腿的鹿在歡快的跳躍，他就在想一只鹿那么細(xì)的腿能承受那么重的身體重量進行跳躍且腿不會折斷，那為何我們設(shè)計的機器人雖然采用強度比骨頭大很多倍的鋁合金、鋼、甚至碳纖維等材料卻反而不能承受大負(fù)載實現(xiàn)跳躍呢？于是經(jīng)過其對很多生物足部的研究，發(fā)現(xiàn)很多的前足都采用肌腱加腕骨的模式，如下圖：
于是他認(rèn)為，肌腱結(jié)構(gòu)能夠減小沖擊力，相當(dāng)于增加了腿部的強度。他通過有限元分析驗證了自己的結(jié)論，于是設(shè)計了類似的肌腱結(jié)構(gòu)足部，并在兩個肌腱之間加入了彈簧以增加一定的柔順性：
以上是其足端結(jié)構(gòu)的來源。正如前面所說，設(shè)計MIT Cheetah的目的是實現(xiàn)快速奔跑，而奔跑由腿的快速擺動實現(xiàn)。為提高擺動速度，需要盡量減小腿部的慣量，因此，Kim將腿部主要的慣量來源——執(zhí)行機構(gòu)（電機）全部統(tǒng)一放置于髖關(guān)節(jié)處，并設(shè)計了低質(zhì)量腿部關(guān)節(jié)，采用類似肌腱的桿來傳遞能量，帶動膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。經(jīng)過該設(shè)計，單腿的重心被控制在了執(zhí)行機構(gòu)所在圓以內(nèi)，極大的降低了腿擺動時的慣性，重心位置如下圖CoM所示：
另外，其采用的脊椎結(jié)構(gòu)，也是通過觀察四足哺乳動物得到的啟發(fā)。該團隊設(shè)計了差分的脊椎驅(qū)動系統(tǒng)，想法很巧妙。當(dāng)trot（對角步）步態(tài)行走時，兩條前腿的運動剛好相差180度相位，此時脊椎保持不動，而當(dāng)galloping（飛馳）步態(tài)行走時，兩條前腿同相位，則在前腿同時后擺時帶動脊椎彎曲，達到跟獵豹奔跑時的脊椎彎曲一致的效果。這樣做的好處是什么呢？節(jié)能。飛馳步態(tài)時兩條前腿同時觸地和離地，在奔跑過程中，前腿會有一個從向后擺動然后減速然后加速向前擺動的過程，這時，脊椎的參與使得原本在前腿后擺減速過程中損失的能量存儲在了脊椎的彈性勢能里面，在前腿向前擺動時再釋放出來轉(zhuǎn)化為前腿的動能，實現(xiàn)了能量的回收利用。
最后，MIT Cheetah其實還設(shè)計了尾部結(jié)構(gòu)，其靈感來自于獵豹追逐獵物時，在變換方向過程中，尾巴在保持獵豹奔跑穩(wěn)定性方面起到的至關(guān)重要的作用，如下圖：
MIT Cheetah團隊也做了相關(guān)的實驗，證明加入尾巴對側(cè)向沖擊具有抵抗作用，能夠增強其側(cè)向穩(wěn)定性。如下圖所示，在側(cè)向用球擊打MIT Cheetah時，其尾巴擺動提高了側(cè)向穩(wěn)定性。其實擺尾巴的原理很簡單，就是角動量守恒。
2）執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計
以上講了其機械結(jié)構(gòu)的特點，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性決定了其擁有高速奔跑的潛力，而執(zhí)行機構(gòu)的能力才是真正實現(xiàn)高速奔跑的大殺器。電機設(shè)計這方面在下不懂，這里列出其單電機的基本參數(shù)：
第一版本的Cheetah使用的是商業(yè)級電機Emoteq HT-5001，參數(shù)為：
重量：1.3Kg
最大扭矩：10Nm
而該電機不符合他們的峰值扭矩要求，于是他們自己隨意設(shè)計了一個……他們自己設(shè)計的電機參數(shù)為：
重量：1.067Kg
最大扭矩：30Nm
為啥他們隨意設(shè)計了一個就比商用級的電機強這么多？?。≌娴氖请S意設(shè)計的么……顯然，隨意二字是我自己加的。第二版Cheetah用的應(yīng)該就是這個電機了。
執(zhí)行器部分的結(jié)構(gòu)如下圖所示，一個模塊內(nèi)包含了單腿所需要的兩個電機轉(zhuǎn)子和定子以及減速齒輪，還包含了必要的光電編碼器。每條腿需要一個這樣的模塊。
3）控制器設(shè)計
最后說說控制器設(shè)計。這方面從其發(fā)表的論文來看其實沒有什么新穎的東西，跟BigDog的方法也差不多，甚至還更簡單。因為目前其主要關(guān)注奔跑速度，對地形的適應(yīng)能力還沒有做過多的擴充，也就在第二版視頻展現(xiàn)了其越障能力，而越障能力其實已經(jīng)在第一版就實現(xiàn)了。本來就是研究的galloping飛馳步態(tài)，因此實現(xiàn)跳躍并不難。第二版也就是加入了一個激光測距傳感器，檢測前方的障礙物高度，然后實施跳躍動作。如下圖：
當(dāng)然，要想實現(xiàn)跳躍也不是很簡單，需要計算起跳地點，落地地點以及達到落地地點所需要的力，還包括步態(tài)的設(shè)計，但是這樣的功能BigDog已經(jīng)實現(xiàn)了，所以也就不算新穎了。
其他一些比較重要的內(nèi)容也順便提一下，一是trot到galloping步態(tài)的切換，采用的是CPG。為提高奔跑穩(wěn)定性，采用了swing leg retracting（擺動腿回縮）技術(shù)。為實現(xiàn)觸地柔順性，采用了阻抗控制技術(shù)。這些都不具體說了。有興趣的參見參考文獻中的論文吧。
總結(jié)：
從以上三點，我們很容易得出結(jié)論，有時候不一定要有多么深奧的算法，多么復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，但是，一定要有一個好的平臺，好的機械結(jié)構(gòu)，我們經(jīng)常自己調(diào)侃自己，要是結(jié)構(gòu)做得好，我們自己的BigDog早就能跑了！哈哈。
