双足机器人的难点在哪里？深度解析背后原理！

直立行走让人类摆脱了森林的束缚，双脚直立也被视为人类区别其他动物的一个重要标志。

一.为什么还要花大把的精力研究双足机器人呢？

有人回答说：“为了像人”，这是因为现代的城市环境是由人类建造的，而研发机器人的目的就是替代人类进行重复性劳动，所以“像人”对机器人来说十分重要。不过，所谓的“像人”指的可不是“看起来像”这么简单，更多地是希望机器人能替代人类做繁重、危险等工作，甚至比人类做的更出色。

尽管目前已有不少机器人用于工业生产和生活服务，但它们的移动能力却实在让人难以恭维。从平衡性来看，双脚站立要比四足行走难得多，不过人们没有放弃机器人“像人”的追求，也有不少公司正努力让机器人学会两条腿走路，知名度最高的是波士顿动力的Atlas、本田的Asimo，前者凭借出色的行动能力，迅速窜红为当红机器人。

智东西深入到双足机器人产业链，仔细研究发现，涉足双足机器人领域的头部公司玩家已经有14家之多，相关研究机构也已经有十数个，尤其值得关注的是，其中出现了多家中国公司和研究机构的身影，处在机器人研究金字塔尖的双足机器人玩家都打得什么算盘，中国玩家扮演怎样的角色，本文带你一文看清。

二.两条腿“行走”的瓶颈在哪里？

从某种程度上来说，“像人”是一种仿生学理念，机器人名字里又占了个“人”字，自然会让不少研究者走上双足机器人研究的道路。但目前市面上的机器人，即便是四足、多足其运动能力仍是一大问题，更不用说双足机器人了。那么问题到底出现在那里了，是什么限制了机器人的“两条腿”呢？

原理

双足机器人行走问题可简化为，通过各种传感器获取机器人体态及重心变换的数据，再运算出合理有效的运动指令，然后再反馈再运算。以这种思路来说，即便考虑到运动环境的模糊性即便比较高，也不至于像现在这么笨拙。

现实

人类行走是多关节配合的动作，因此目前市面上大部分机器人都是使用舵机模拟替代人类关节，用铝合金或其他轻型高硬度材料来制作机器人的结构件，类似于人类的骨骼，从而来支撑机器人的整体。用轻型、有强度的材料制作机器人的顶板和脚板，模拟人类的胯部和脚掌从而来支持机器人的行走与稳定。其中舵机由芯片控制，进而控制整个关节的活动，从而实现了对步伐的大小、快慢、幅度的调整。这其中既包括设计、材料等硬件问题，也包括算法等软件方面的制约。

硬件研发方面

整个行业迭代速度太慢。由于双足机器人从结构设计到组装调试，都需要相当长的研发周期，也更烧钱，硬件是不可能像软件一样，写完程序后直接运行就能及时得到反馈的。当然，最核心的问题是具体的技术细节，比如精确的力控，都掌握在一些顶级的硬件厂商里，而它们不会将其像软件一样开源出来，小型企业资金和实力不足也无法下大力度进行研发，这也限制了行业的整体发展。

软件算法方面

最大的制约原因是人类还不清楚行走的最基本原理，这与人类不清楚人脑工作原理是一样的。在算法方面，目前业内的做法是把复杂的行走问题抽象，提取出来一个比较简单的模型，比如Asimo的线性倒立摆、Cassie的弹簧质点模型，然后基于对简单模型的分析，生成行走步态，映射回双足机器人上。但是这样的做法，显然只是一个复杂系统的特殊解，还做不到应付任何情况的程度。

1.巨头带路，“双足”成为热门话题

从全球的机器人研究和市场情况来看，美国和日本拥有这绝对的实力，可以代表着国际的先进水平，在双足机器人的研究上，也以美日的研究成果最为显著，而中国的双足机器人与中国的机器人市场一样，才刚刚起步。

要说行动能力第一强的双足机器人，一定有人说是波士顿动力的Atlas。而这款机器人则是由波士顿更早的Petman迭代而来，最初是为能模拟士兵在现实条件下对防护服的作用而设计的。当时Petman已具备平衡自身、自由行走以及弯曲身体的能力，甚至还能暴露在化学试剂的操作车间里作出各种对化学防护衣有压力作用的健美体操。

随后，波士顿动力继续在机器人运动能力上进行提升，以Petman为原型开发出了Atlas机器人。前段时间在网上大秀后空翻的Atlas，实际上已经是经历了三次迭代的第三代产品，其身体内部以及腿部的传感器可采集位姿数据，来保持身体的平衡。现在Atlas不仅可在雪地等复杂路面行走，还可以稳稳地后空翻，运动性能十分优越。

日本在机器人运动能力上也不甘示弱，2000年本田公司推出的Asimo在行动能力上就十分灵活。它的行走速度可达9km/h。而早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来顿一顿，看起来也十分笨拙。而Asimo灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，它不仅可以进行“8”字形行走、 下台阶、弯腰等各项“复杂”动作，还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐起舞。因此，Asimo也被认为是全球最早具备人类双足行走能力的类人型机器人。

2017年俄勒冈州立大学研究团队公布了一款名为Cassie的新型步行机器人。只有下半身以及反关节的设计，让 Cassie看起来像一只无头鸵鸟。尽管“十指”纤纤，Cassie的步子走的可是稳稳的，因此获得了美国国防部高级研究计划局（DARPA）的垂青，后者给予该团队100万美元研究资金资助。如今Cassie的研发团队已从俄勒冈州立大学脱离出来，并建立了自己的机器人公司Agility Robotics——该公司近日刚获得了800万美元的融资。

国内的双足机器人研究上，主要以学术派为主，机器人企业进行双足机器人研究的并不多。在年初的CES上，优必选就推出了一款双足机器人名为Walker，仅从名字上就能知道这款产品主打的是行走能力。Walker高1.3m，拥有两条自由度极高的腿，可以上下楼梯、全向行走，具备踢球、跳舞等多种互动运动能力。

成立于2015年的钢铁侠科技，也是国内双足机器人研发的典型代表，其研发团队来自于中国科学院和航空航天所，在2017年的世界机器人大会（WRC）上，钢铁侠科技展出了ART双足大仿人机器人，并受到国务院副总理刘延东、马凯的接见。

总体来说，双足大仿人机器人的风头一直被海外公司和研究机构占据，国内主要以项目研究为导向，在商业化领域鲜有动静。不止于美国波士顿动力（Boston Dynamics），日本本田（Honda）等公司都在“人形机器人”项目上不遗余力地砸钱。

现阶段，人形机器人的应用场景主要以军工、航天等行业应用为主。在消费端市场，将大块头小型化是个不错的选择。桌面级人形机器人NAO在科研领域广受欢迎，其法国机器人公司Aldebaran被软银收购；国内Alpha系列机器人助优必选跻身进入独角兽行列。

在研究方面，美国和日本的双足机器人研究起步较早，目前机器人的稳定性已不成问题，主要在行动速度加大研究。如卡内基梅隆大学的国家机器人工程中心，就曾研究出一款名为“Chimp”的黑猩猩机器人，可实现行走、爬梯子甚至是开车等功能，可用于灾后救援。中国的双足机器人研究也非常火，浙大熊蓉教授就曾带队研发出“悟”“空”两台双足机器人，而她们的团队还在今年2月，研发出四足机器人“绝影”。此外，北大工学院、哈工大、北京理工大学等国内知名大学都有团队进行双足机器人的研究。

目前全世界对双足机器人的研究主要集中在跨越垂直高度的障碍物上，对水平跨越大尺度障碍未作考虑。水平跨越的难度在于如何调节好机器人的重心，使之远距离跨越但不会倒，在此基础上还要考虑如何用最小的涵道风机推力顺利完成动作。

在水平跨越障碍方面，近日IEEE Spectrum官网刊登了广东工业大学自动化学院自控系副主任黄之峰团队的一项新成果，他们研发了一款名叫Jet-HR1的双足机器人，在其脚掌底部安装了涵道风机，使其可调节自身重力来维持平衡，甚至可用“一字马”来越过大尺度的障碍物。

2.科研、展馆成市场主方向

从目前双足机器人研究情况和市场前景来看，像NAO、优必选Alpha等小型双足机器人，主打儿童市场的陪伴和娱乐方向，“跳舞”更成为其主打的一项功能。而对于大型的双足机器人，目前在市场上的表现，主要是在高校、科研院所、科技馆等场景中，为其研究、教育、展示来服务。

无论是完善的技术研发，还是繁杂的供应链管控，强大的资金支持，双足机器人领域都设有极高的门槛，不仅要求电机、双足等复杂的机械控制系统，还需具备环境感知和行动规划等能力，因此大型双足机器人的研发需要大量的资金支持。

双足机器人大多以仿人、类人机器人为主要形态，像Agility Robotics这样的只做半身双足机器人的企业并不多。而Agility Robotics公司称考虑将物流和快递运输作为其落地的主要场景。智东西之前采访过钢铁侠科技的研发团队，并了解到目前大型双足机器人的落地方向主要是在科研机构和科技展馆，那么为什么双足机器人没有将服务机器人作为自身落地的一个重要方向呢？

首先，服务机器人的市场在前两非常的火爆，各地也出现了不少夺人眼球的机器人餐厅，也有许多在银行、酒店等为客人进行引导的机器人，而从形态上看，大部分都是轮式的机器人。原因是，一方面相比于双足机器人，轮式机器人的开发难度更低，成本也低，因此有不少小型玩家涌入，市场也就得到了扩展；另一方面，目前市场对机器人的需求还没有达到刚需程度，对交互要求极高的服务机器人来说，目前的智能化发展尚未达到要求。因此，即便是价格较低的轮式机器人在服务机器人市场上都有待开拓，更不要提双足机器人了。

那么，有必要研发双足机器人吗？答案是肯定的，毋庸置疑的是，仿人、类人的双足机器人一定是机器人的终极形态，目前的研发都是在一步步进行铺垫。虽然目前的双足机器人还停留在“中看不中用”的尴尬阶段，但其对科研的价值是十分重要的。同时，科研院所，科技展馆也在一定程度上形成了双足机器人现有的市场格局，随着国内科技热潮的掀起，仅在“中看”这一点上，双足机器人还拥有非常好的市场前景。

结语：足式机器人商业化之路“道阻且长”

无论是像波士顿动力Big Dog一样，稳定性和动力系统都十分强劲的四足机器人，还是Atlas一样的双足机器人，在科研上尽管取得了相当不错的进展，但在商业化的路上，仍有相当长的路要走。其中最突出的问题是， 足式机器人对行动能力了要求极高，而目前机器人普遍采用舵机模拟关节，而舵机越多，成本就不断上扬，这也使得足式机器人的研发成本较高。同时，由于足式机器人研发的思路各异，技术壁垒也相对较高。

从全球市场来看，足式机器人因其在行踪功能上仿人、仿生在研究领域深得研究人员偏爱。而在市场方向上，服务机器人方向被价格更低的轮式机器人占据，小型的足式机器人尚能凭借较强的运动性在娱乐机器人领域落地，但大型的足式机器人仅能在科技展馆等场景作为一种“摆设”。因此，整个行业急需转变研究思路，在增强行动能力的同时，将成本控制在市场可接受范围内。

从国内外的研究对比来看，美国、日本等工业强国，在研发时间和投入上都比国内多，虽然短期内足式机器人无法在应用上爆发，但作为机器人的终极形态，中国的足式机器人研究仍需与世界先列缩小差距，为未来智能机器人的研发打下良好基础。