直立行走讓人類擺脫了森林的束縛，開始使用并制造工具，這是人類智力進(jìn)化的結(jié)果。因此，雙腳直立也被視為人類區(qū)別其他動(dòng)物的一個(gè)重要標(biāo)志。但從平衡性來看，雙腳站立要比四足行走難得多，那么人類為什么還要花大把的精力研究雙足機(jī)器人呢？

有人回答說：“為了像人”，這是因?yàn)楝F(xiàn)代的城市環(huán)境是由人類建造的，而研發(fā)機(jī)器人的目的就是替代人類進(jìn)行重復(fù)性勞動(dòng)，所以“像人”對(duì)機(jī)器人來說十分重要。不過，所謂的“像人”指的可不是“看起來像”這么簡(jiǎn)單，更多地是希望機(jī)器人能替代人類做繁重、危險(xiǎn)等工作，甚至比人類做的更出色。

盡管目前已有不少機(jī)器人用于工業(yè)生產(chǎn)和生活服務(wù)，但它們的移動(dòng)能力卻實(shí)在讓人難以恭維。不過人們沒有放棄機(jī)器人“像人”的追求，也有不少公司正努力讓機(jī)器人學(xué)會(huì)兩條腿走路，知名度最高的是波士頓動(dòng)力的Atlas、本田的Asimo，前者憑借出色的行動(dòng)能力，迅速竄紅為當(dāng)紅機(jī)器人。

智東西深入到雙足機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈，仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，涉足雙足機(jī)器人領(lǐng)域的頭部公司玩家已經(jīng)有14家之多，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也已經(jīng)有十?dāng)?shù)個(gè)，尤其值得關(guān)注的是，其中出現(xiàn)了多家中國(guó)公司和研究機(jī)構(gòu)的身影，處在機(jī)器人研究金字塔尖的雙足機(jī)器人玩家都打得什么算盤，中國(guó)玩家扮演怎樣的角色，本文帶你一文看清。

“行走”的瓶頸在哪里？

從某種程度上來說，“像人”是一種仿生學(xué)理念，機(jī)器人名字里又占了個(gè)“人”字，自然會(huì)讓不少研究者走上雙足機(jī)器人研究的道路。但目前市面上的機(jī)器人，即便是四足、多足其運(yùn)動(dòng)能力仍是一大問題，更不用說雙足機(jī)器人了。那么問題到底出現(xiàn)在那里了，是什么限制了機(jī)器人的“兩條腿”呢？

從原理上看，雙足機(jī)器人行走問題可簡(jiǎn)化為，通過各種傳感器獲取機(jī)器人體態(tài)及重心變換的數(shù)據(jù)，再運(yùn)算出合理有效的運(yùn)動(dòng)指令，然后再反饋再運(yùn)算。以這種思路來說，即便考慮到運(yùn)動(dòng)環(huán)境的模糊性即便比較高，也不至于像現(xiàn)在這么笨拙。

現(xiàn)實(shí)情況是，人類行走是多關(guān)節(jié)配合的動(dòng)作，因此目前市面上大部分機(jī)器人都是使用舵機(jī)模擬替代人類關(guān)節(jié)，用鋁合金或其他輕型高硬度材料來制作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件，類似于人類的骨骼，從而來支撐機(jī)器人的整體。用輕型、有強(qiáng)度的材料制作機(jī)器人的頂板和腳板，模擬人類的胯部和腳掌從而來支持機(jī)器人的行走與穩(wěn)定。其中舵機(jī)由芯片控制，進(jìn)而控制整個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)步伐的大小、快慢、幅度的調(diào)整。這其中既包括設(shè)計(jì)、材料等硬件問題，也包括算法等軟件方面的制約。

硬件研發(fā)方面，整個(gè)行業(yè)迭代速度太慢。由于雙足機(jī)器人從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到組裝調(diào)試，都需要相當(dāng)長(zhǎng)的研發(fā)周期，也更燒錢，硬件是不可能像軟件一樣，寫完程序后直接運(yùn)行就能及時(shí)得到反饋的。當(dāng)然，最核心的問題是具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，比如精確的力控，都掌握在一些頂級(jí)的硬件廠商里，而它們不會(huì)將其像軟件一樣開源出來，小型企業(yè)資金和實(shí)力不足也無法下大力度進(jìn)行研發(fā)，這也限制了行業(yè)的整體發(fā)展。

軟件算法方面，最大的制約原因是人類還不清楚行走的最基本原理，這與人類不清楚人腦工作原理是一樣的。在算法方面，目前業(yè)內(nèi)的做法是把復(fù)雜的行走問題抽象，提取出來一個(gè)比較簡(jiǎn)單的模型，比如Asimo的線性倒立擺、Cassie的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型，然后基于對(duì)簡(jiǎn)單模型的分析，生成行走步態(tài)，映射回雙足機(jī)器人上。但是這樣的做法，顯然只是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的特殊解，還做不到應(yīng)付任何情況的程度。

巨頭帶路，“雙足”成為熱門話題

從全球的機(jī)器人研究和市場(chǎng)情況來看，美國(guó)和日本擁有這絕對(duì)的實(shí)力，可以代表著國(guó)際的先進(jìn)水平，在雙足機(jī)器人的研究上，也以美日的研究成果最為顯著，而中國(guó)的雙足機(jī)器人與中國(guó)的機(jī)器人市場(chǎng)一樣，才剛剛起步。

要說行動(dòng)能力第一強(qiáng)的雙足機(jī)器人，一定有人說是波士頓動(dòng)力的Atlas。而這款機(jī)器人則是由波士頓更早的Petman迭代而來，最初是為能模擬士兵在現(xiàn)實(shí)條件下對(duì)防護(hù)服的作用而設(shè)計(jì)的。當(dāng)時(shí)Petman已具備平衡自身、自由行走以及彎曲身體的能力，甚至還能暴露在化學(xué)試劑的操作車間里作出各種對(duì)化學(xué)防護(hù)衣有壓力作用的健美體操。

隨后，波士頓動(dòng)力繼續(xù)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力上進(jìn)行提升，以Petman為原型開發(fā)出了Atlas機(jī)器人。前段時(shí)間在網(wǎng)上大秀后空翻的Atlas，實(shí)際上已經(jīng)是經(jīng)歷了三次迭代的第三代產(chǎn)品，其身體內(nèi)部以及腿部的傳感器可采集位姿數(shù)據(jù)，來保持身體的平衡。現(xiàn)在Atlas不僅可在雪地等復(fù)雜路面行走，還可以穩(wěn)穩(wěn)地后空翻，運(yùn)動(dòng)性能十分優(yōu)越。

日本在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力上也不甘示弱，2000年本田公司推出的Asimo在行動(dòng)能力上就十分靈活。它的行走速度可達(dá)9km/h。而早期的機(jī)器人如果直線行走時(shí)突然轉(zhuǎn)向，必須先停下來頓一頓，看起來也十分笨拙。而Asimo靈活得多，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)下一個(gè)動(dòng)作并提前改變重心，因此可以行走自如，它不僅可以進(jìn)行“8”字形行走、 下臺(tái)階、彎腰等各項(xiàng)“復(fù)雜”動(dòng)作，還可以握手、揮手，甚至可以隨著音樂起舞。因此，Asimo也被認(rèn)為是全球最早具備人類雙足行走能力的類人型機(jī)器人。

2017年俄勒岡州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)公布了一款名為Cassie的新型步行機(jī)器人。只有下半身以及反關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，讓 Cassie看起來像一只無頭鴕鳥。盡管“十指”纖纖，Cassie的步子走的可是穩(wěn)穩(wěn)的，因此獲得了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的垂青，后者給予該團(tuán)隊(duì)100萬美元研究資金資助。如今Cassie的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已從俄勒岡州立大學(xué)脫離出來，并建立了自己的機(jī)器人公司Agility Robotics——該公司近日剛獲得了800萬美元的融資。

國(guó)內(nèi)的雙足機(jī)器人研究上，主要以學(xué)術(shù)派為主，機(jī)器人企業(yè)進(jìn)行雙足機(jī)器人研究的并不多。在年初的CES上，優(yōu)必選就推出了一款雙足機(jī)器人名為Walker，僅從名字上就能知道這款產(chǎn)品主打的是行走能力。Walker高1.3m，擁有兩條自由度極高的腿，可以上下樓梯、全向行走，具備踢球、跳舞等多種互動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力。

成立于2015年的鋼鐵俠科技，也是國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人研發(fā)的典型代表，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)來自于中國(guó)科學(xué)院和航空航天所，在2017年的世界機(jī)器人大會(huì)（WRC）上，鋼鐵俠科技展出了ART雙足大仿人機(jī)器人，并受到國(guó)務(wù)院副總理劉延?xùn)|、馬凱的接見。

總體來說，雙足大仿人機(jī)器人的風(fēng)頭一直被海外公司和研究機(jī)構(gòu)占據(jù)，國(guó)內(nèi)主要以項(xiàng)目研究為導(dǎo)向，在商業(yè)化領(lǐng)域鮮有動(dòng)靜。不止于美國(guó)波士頓動(dòng)力（Boston Dynamics），日本本田（Honda）等公司都在“人形機(jī)器人”項(xiàng)目上不遺余力地砸錢。

現(xiàn)階段，人形機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景主要以軍工、航天等行業(yè)應(yīng)用為主。在消費(fèi)端市場(chǎng)，將大塊頭小型化是個(gè)不錯(cuò)的選擇。桌面級(jí)人形機(jī)器人NAO在科研領(lǐng)域廣受歡迎，其法國(guó)機(jī)器人公司Aldebaran被軟銀收購(gòu)；國(guó)內(nèi)Alpha系列機(jī)器人助優(yōu)必選躋身進(jìn)入獨(dú)角獸行列。

在研究方面，美國(guó)和日本的雙足機(jī)器人研究起步較早，目前機(jī)器人的穩(wěn)定性已不成問題，主要在行動(dòng)速度加大研究。如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的國(guó)家機(jī)器人工程中心，就曾研究出一款名為“Chimp”的黑猩猩機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)行走、爬梯子甚至是開車等功能，可用于災(zāi)后救援。中國(guó)的雙足機(jī)器人研究也非?；穑愦笮苋亟淌诰驮鴰ш?duì)研發(fā)出“悟”“空”兩臺(tái)雙足機(jī)器人，而她們的團(tuán)隊(duì)還在今年2月，研發(fā)出四足機(jī)器人“絕影”。此外，北大工學(xué)院、哈工大、北京理工大學(xué)等國(guó)內(nèi)知名大學(xué)都有團(tuán)隊(duì)進(jìn)行雙足機(jī)器人的研究。

目前全世界對(duì)雙足機(jī)器人的研究主要集中在跨越垂直高度的障礙物上，對(duì)水平跨越大尺度障礙未作考慮。水平跨越的難度在于如何調(diào)節(jié)好機(jī)器人的重心，使之遠(yuǎn)距離跨越但不會(huì)倒，在此基礎(chǔ)上還要考慮如何用最小的涵道風(fēng)機(jī)推力順利完成動(dòng)作。

在水平跨越障礙方面，近日IEEE Spectrum官網(wǎng)刊登了廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自控系副主任黃之峰團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)新成果，他們研發(fā)了一款名叫Jet-HR1的雙足機(jī)器人，在其腳掌底部安裝了涵道風(fēng)機(jī)，使其可調(diào)節(jié)自身重力來維持平衡，甚至可用“一字馬”來越過大尺度的障礙物。

科研、展館成市場(chǎng)主方向

從目前雙足機(jī)器人研究情況和市場(chǎng)前景來看，像NAO、優(yōu)必選Alpha等小型雙足機(jī)器人，主打兒童市場(chǎng)的陪伴和娛樂方向，“跳舞”更成為其主打的一項(xiàng)功能。而對(duì)于大型的雙足機(jī)器人，目前在市場(chǎng)上的表現(xiàn)，主要是在高校、科研院所、科技館等場(chǎng)景中，為其研究、教育、展示來服務(wù)。

無論是完善的技術(shù)研發(fā)，還是繁雜的供應(yīng)鏈管控，強(qiáng)大的資金支持，雙足機(jī)器人領(lǐng)域都設(shè)有極高的門檻，不僅要求電機(jī)、雙足等復(fù)雜的機(jī)械控制系統(tǒng)，還需具備環(huán)境感知和行動(dòng)規(guī)劃等能力，因此大型雙足機(jī)器人的研發(fā)需要大量的資金支持。

雙足機(jī)器人大多以仿人、類人機(jī)器人為主要形態(tài)，像Agility Robotics這樣的只做半身雙足機(jī)器人的企業(yè)并不多。而Agility Robotics公司稱考慮將物流和快遞運(yùn)輸作為其落地的主要場(chǎng)景。智東西之前采訪過鋼鐵俠科技的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并了解到目前大型雙足機(jī)器人的落地方向主要是在科研機(jī)構(gòu)和科技展館，那么為什么雙足機(jī)器人沒有將服務(wù)機(jī)器人作為自身落地的一個(gè)重要方向呢？

首先，服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)在前兩非常的火爆，各地也出現(xiàn)了不少奪人眼球的機(jī)器人餐廳，也有許多在銀行、酒店等為客人進(jìn)行引導(dǎo)的機(jī)器人，而從形態(tài)上看，大部分都是輪式的機(jī)器人。原因是，一方面相比于雙足機(jī)器人，輪式機(jī)器人的開發(fā)難度更低，成本也低，因此有不少小型玩家涌入，市場(chǎng)也就得到了擴(kuò)展；另一方面，目前市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人的需求還沒有達(dá)到剛需程度，對(duì)交互要求極高的服務(wù)機(jī)器人來說，目前的智能化發(fā)展尚未達(dá)到要求。因此，即便是價(jià)格較低的輪式機(jī)器人在服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)上都有待開拓，更不要提雙足機(jī)器人了。

那么，有必要研發(fā)雙足機(jī)器人嗎？答案是肯定的，毋庸置疑的是，仿人、類人的雙足機(jī)器人一定是機(jī)器人的終極形態(tài)，目前的研發(fā)都是在一步步進(jìn)行鋪墊。雖然目前的雙足機(jī)器人還停留在“中看不中用”的尷尬階段，但其對(duì)科研的價(jià)值是十分重要的。同時(shí)，科研院所，科技展館也在一定程度上形成了雙足機(jī)器人現(xiàn)有的市場(chǎng)格局，隨著國(guó)內(nèi)科技熱潮的掀起，僅在“中看”這一點(diǎn)上，雙足機(jī)器人還擁有非常好的市場(chǎng)前景。

結(jié)語：足式機(jī)器人商業(yè)化之路“道阻且長(zhǎng)”

無論是像波士頓動(dòng)力Big Dog一樣，穩(wěn)定性和動(dòng)力系統(tǒng)都十分強(qiáng)勁的四足機(jī)器人，還是Atlas一樣的雙足機(jī)器人，在科研上盡管取得了相當(dāng)不錯(cuò)的進(jìn)展，但在商業(yè)化的路上，仍有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。其中最突出的問題是， 足式機(jī)器人對(duì)行動(dòng)能力了要求極高，而目前機(jī)器人普遍采用舵機(jī)模擬關(guān)節(jié)，而舵機(jī)越多，成本就不斷上揚(yáng)，這也使得足式機(jī)器人的研發(fā)成本較高。同時(shí)，由于足式機(jī)器人研發(fā)的思路各異，技術(shù)壁壘也相對(duì)較高。

從全球市場(chǎng)來看，足式機(jī)器人因其在行蹤功能上仿人、仿生在研究領(lǐng)域深得研究人員偏愛。而在市場(chǎng)方向上，服務(wù)機(jī)器人方向被價(jià)格更低的輪式機(jī)器人占據(jù)，小型的足式機(jī)器人尚能憑借較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)性在娛樂機(jī)器人領(lǐng)域落地，但大型的足式機(jī)器人僅能在科技展館等場(chǎng)景作為一種“擺設(shè)”。因此，整個(gè)行業(yè)急需轉(zhuǎn)變研究思路，在增強(qiáng)行動(dòng)能力的同時(shí)，將成本控制在市場(chǎng)可接受范圍內(nèi)。

從國(guó)內(nèi)外的研究對(duì)比來看，美國(guó)、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)，在研發(fā)時(shí)間和投入上都比國(guó)內(nèi)多，雖然短期內(nèi)足式機(jī)器人無法在應(yīng)用上爆發(fā)，但作為機(jī)器人的終極形態(tài)，中國(guó)的足式機(jī)器人研究仍需與世界先列縮小差距，為未來智能機(jī)器人的研發(fā)打下良好基礎(chǔ)。