被动动力学理论创立与成熟

生物学家发现人类直立行走的大奥秘，动力学家们就闲不住了。1990年，加拿人学者T.McGeer提出了被动动力学理论，并由此有了“机器人被动行走”的概念。用完全的被动动力学法，机器人的所有关节无须驱动，只依靠机器人和环境二者之间交互的动力学特性就可以实现自发步行，所以称作被动步行。因为没有能量输入，为了克服摩擦和脚触地时的能量损失，通常在斜坡上下行时实现自发步行，此时重力补偿了能量损失。这种自发的稳定步态完全是由机器人的机械结构决定的。下面是一个简单的原理图。

基于自己的理论，T.McGeer先后构建了2D无关节的纯被动机器人和有膝关节的双足被机器人。自T.McGeer开创性工作之后，美国、欧洲和日本的大学就都开始在被动步态领域展开的深入的研究。其中比较出名的是康纳尔大学的、麻省理工学院、荷兰代尔夫特理工大学和前面提到的日本名古屋工业大学。一时间完全被动的和有驱动的不行机器人风靡全球的科研院所。

本文开篇提到的那个超牛掰的机器人佐野明人教授花了十几年时间于2009年研制成功的。而这种机器人有一个弊端，在没有动力源的情况下，要求机器人行走的路面必须是一个斜坡，显然这对于能应用于我们生活中的机器人是不现实的。所以科学家的目的不在于此，他们的目的是什么？清华大学重点实验室的教授在论文中这样说：在充分分析机器人被动行走原型系统的基础上逐步加大机器人结构的复杂度，研究引入驱动的半被动步行机器人。最终利用所得的结论指导机器人的设计和控制，从而实现稳定、鲁棒、高效的仿人双足机器人。

所以，在此基础上波士顿动力研发出了上图这款叫ATRIAS的机器人。它在两条腿上面的盒子中加上了驱动，而腿部放置了弹簧（用以储能），在行走的过程中腿以以一种被动摆动的形式交互运作。ATRIAS引入了弹簧-质点模型（身体的质量以一个单点的形式附着在一条“无质量”的弹簧腿上）。腿上的弹簧可以在每只脚落地时储存部分能量，并把它转变成推动机器人下一步的力量，正如动物腿上的弹性关节。

与大多数机器人采取的静态稳定性的方法不同，ATRIAS以动态稳定的方式行走，这与人类的行走方式相同：在每次迈步的过程中于倾倒之前获得平衡。这样，当被动摆动（没有电机）的双腿与强大的髋关节电机相连时，弹簧－质点模型就能产生一种极为高效的步态，受到扰动时能够神奇般地自动复原。

在ATRIAS基础上，今年2月份Agility Robotics公司（ATRIAS研发团队中的某些人）又推出了上面这款机器人Cassie。看图片也知道，相比于人类来说，它更像是一只鸵鸟的两条腿。但无论如何，图片中的Cassie才三个月大，关于Cassie的详细介绍，可以查看我们之前的文章：深度解析|鸵鸟机器人Cassie，如何进化成机器人通用型平台？最最重要的，Cassie不再仅仅是用作实验室的研究，它可以走出去用于灾害救援，也可以用于货物运输。

最后说一个小插曲，ATRIAS的全称是“assume the robot is a sphere”，意为“假定机器人是一个球体”——这是物理学圈内的一个经典笑话，基本意思是“简单的才是最好的”。感觉有种站在高地嘲笑那些苦心钻研各种算法的科研人员的意思。不过我很赞同他们的观点，正应了中国的一句成语——大繁若简。

机器人，就是夹杂着各种科学的奇思妙想

作者：海蛟