波士頓動力「四足機器人」進化史：從Big Dog到Spot Mini
前不久，一段視頻刷爆了朋友圈，視頻中一個四足機器人不顧人類的阻攔，奮力打開一扇門，最終得以順利通過。看過視頻的人無一不被機器人的 「執著」 所震撼，一夜之間，這個機器人就成為了當之無愧的 「網紅」。其實，這個「網紅」 正是由美國波士頓動力公司研製的一款名為 「Spot Mini」 的四足機器人，這已經不是波士頓動力公司推出的第一款四足機器人了。
早在 2005 年，Big Dog 的發布就已經讓波士頓動力公司名震一方，在之後的十餘年裡，波士頓動力公司又相繼推出了一系列四足機器人，並且都獲得了外界的強烈反響。因此，本文將以時間為線索，概覽波士頓動力公司四足機器人的研發歷程，帶你領略 「大狗們」 的魅力。
機器人誕生的初衷在於服務人類，將人類從重複、繁瑣甚至危險的工作中解放出來，進而把有限的人力資源投入到更有價值的生產勞動過程中去。
1920 年，「機器人」 一詞首次被捷克斯洛伐克作家卡雷爾 ? 恰佩克（Karel Capek）提出，自此，機器人開始了它漫長的發展進程。
如今，在我們的生活中隨處可見機器人的身影，但它們大多只是 「移動的電腦」，僅能根據預先設定的程序指令，進行簡單和重複的操作，這也在一定程度上限制了我們對於機器人的認知。
傳統的認知一旦形成，新鮮事物的出現就會極具顛覆性。2005 年，美國波士頓動力公司拍攝的一段長達 3 分半左右的視頻，在網上引發了各界的廣泛關注。視頻內容顯示，一台四足機器人在身負重物的情況下仍能靈活行走，並且可以對外力干擾做出快速反應，始終保持軀體的平衡穩定。
一時間，關於機器人發展前景的探討再次成為炙手可熱的話題，波士頓動力公司也順理成章地成為了眾人關注的焦點。
波士頓動力公司
波士頓動力公司成立於 1992 年，主要開展機器人相關研究工作，其目標是打造像人或動物那樣，能夠在現實世界中靈活工作的智能機器人，成立至今，吸引了眾多來自世界各大院校的頂尖科研人才。波士頓動力公司之所以能具備如此強大的號召力，與其創始人馬克 ? 雷波特（Marc Raibert）不無關係。
馬克 ? 雷波特是典型的學院派創業者，其在麻省理工學院獲得博士學位後，在卡耐基 ? 梅隆大學創立了 CMU leg 實驗室，並擔任副教授一職。1986 年，馬克 ? 雷波特重新回到麻省理工學院，繼續從事機器人的開發和研究工作，並最終於 1992 年離開 MIT，創建了如今的波士頓動力公司。
機器人必須具備的三項能力
美國科幻小說家艾薩克 ? 阿西莫夫（Isaac Asimov）於 1950 年，在其代表作《我，機器人》一書中，提出了機器人所需遵守的三條法則，後人將其稱為 「機器人三定律」，即：
機器人不得傷害人類個體，或者目睹人類個體將遭受危險而袖手旁觀。
機器人必須服從人給予它的命令，當該命令與第一定律衝突時例外。
機器人在不違反第一、第二定律的情況下要儘可能保護自己的生存。
這三條定律在一定程度上為機器人的研發工作提供了參考，強調了在機器人研發過程中所需遵守的安全性準則，但這三條定律應用的前提是機器人足夠智能，就目前而言，機器人的智能化水平依然較低，因此，這三條定律尚不具備充足的用武之地。
要想讓機器人更智能，首先要做到的是讓機器人能夠像人或動物一樣自由行動。在馬克 ? 雷波特看來，要想實現這一目標，必須讓機器人具備以下三項能力：
平衡性和動態運動能力：能夠讓機器人在任意地方、任何地形保持平衡，並實現自由活動，這意味著機器人的工作範圍得到了有效擴展。
對於運動的控制能力：是指機器人可以靈活的操控物體（如使用鍵盤和遙控器等），同時進行自由活動，這意味著機器人能夠在移動的過程中輕鬆完成各項操作任務。
移動感知能力：是指機器人能夠感知空間中物體的穩定存在，即便視線移向別處也能夠避開障礙，這意味著機器人能夠繪製出周邊環境的障礙位置圖，從而在前進或後退的過程中都能夠有效避開障礙物。
波士頓動力公司正是從以上三點出發，開展對機器人的各項研發工作。
Big Dog：踹不倒的機器人
Big Dog 被人們親切地稱為 「大狗」，是波士頓動力公司於 2005 年推出的一款四足機器人，也正是這款四足機器人讓波士頓動力公司名聲大噪。大狗拋開傳統的輪式或履帶式機器人，轉而研究四足機器人，是因為四足機器人能夠適應更多地形地貌，通過性能更強。
在波士頓動力公司發布的宣傳視頻中，Big Dog 在裝載著重物的情況下，仍能對人類從其側面的踢踹做出靈敏的反應，始終保持站立的姿態。
Big Dog 高度約為 1 米，重量約為 109 公斤，可以背負 45 公斤的有效負載進行自由行走或奔跑，最快移動速度可達 6.4 公里 / 小時，最大爬坡角度可達 35 度。同時，Big Dog 能夠適應多種複雜路況，即便在雪地或泥窪中也能行走自如，就算有人在其側面施加外力，Big Dog 也能快速調整四足動作，以保持身體穩定，避免摔倒。它之所以具備如此強大的能力，離不開其精巧的設計結構和縝密的計算系統：
Big Dog 以四足哺乳動物的軀體結構為參考，採用機械方式進行組裝，四肢具備的關節型結構可以有效吸收衝擊，起到減震作用；其整體具有 16 個自由度，可以在橫縱兩個方向自由移動，除此之外，Big Dog 由一台汽油發動機提供動力，發動機驅動液壓系統，以液壓系統作為驅動輸出動力，進而控制每段肢體的動作，實現了軀體的靈活運動。
Big Dog 搭載的運動控制系統有效保障了機器人運動的獨立自主性，僅需要少量的人工干預，機器人就可以完成既定任務。該運動控制系統通過安裝在關節和足底等區域的感測器檢測肢體狀態信息，藉助陀螺儀和慣性感測器監測軀體的平衡穩定信息，從而能夠及時對平衡干擾因素做出快速反應，有效保證了重心穩定，使得機器人能夠保持平穩的姿態前行。
同時，它還具備較高的導航智能性，可以通過激光雷達感測器和立體視覺感測器自主感知周邊的環境信息，進而在虛擬環境中構建地形模型，同時藉助自身搭載的運算電腦進行路徑規劃，依靠運動控制系統沿規劃路徑到達目標點。
儘管 Big Dog 擁有強大的功能，但由於其運行過程中噪音較大，最終沒有被美國軍方採用。
LS3：能擔能抗的大力士
LS3 又被稱為 「阿爾法狗」，其中「LS」 是「Legged Squad」的縮寫。LS3 機器人是波士頓動力公司繼 Big Dog 之後推出的一款新型四足機器人，於 2012 首次公開亮相。與 Big Dog 相比，LS3 的體型更為龐大，負載能力更強，移動速度也更快，實用性能有了大幅提升。
在波士頓動力公司發布的宣傳視頻中，LS3 在裝載著重物的條件下，仍能靈敏的爬上山坡或通過崎嶇的爛路。
LS3 高度約為 1.7 米，重量約為 509 公斤，可以背負 181 公斤的有效負載進行自由行走和奔跑（在一次平地測試中，LS3 曾創下背負 500 公斤負載進行自由行走的記錄），最快移動速度可達 45 公里 / 小時，在實際測試中，LS3 可在崎嶇的山路中依然保持較快的前進速度。
它具有 12 個自由度，由燃氣發動機或柴油發動機提供動力，發動機驅動液壓系統，以液壓系統作為驅動輸出動力，進而控制每段肢體的動作，實現軀體的靈活運動。在燃料充足的情況下，LS3 可運行 24 小時，最遠行駛里程可達 32 公里。
LS3 繼承了 Big Dog 的移動特性，通過藉助地形感測、避障和 GPS 等技術，保障前行過程中的安全性，從而可以順利到達目標地點。除此之外，LS3 採用計算機視覺技術，實現了自動跟蹤，因此它無需搭載專用的驅動程序即可跟隨目標人員前行。
LS3 參與了美國軍方的作戰訓練任務，但由於其自身運行噪音問題沒有得到有效解決，且故障維修難度較大，最終還是遭到美國軍方棄用。
Wild Cat：機器人領域的運動健將
Wild Cat 又稱 「野貓機器人」，是波士頓動力公司於 2013 年推出的一款四足機器人，其前身是 Cheetah，即 「獵豹機器人」。Cheetah 的軀體上方連接著多根線纜，這也註定它只能是一款在實驗室中運行的機器人。
在波士頓動力公司發布的宣傳視頻中，Cheetah 在跑步機上創造了 48 公里 / 小時的機器人奔跑時速記錄。
儘管 Cheetah 只能在實驗室中運行，但它卻創下了 48 公里 / 小時的奔跑速度記錄。Cheetah 採用關節型的背部結構，這使得 Cheetah 的背部結構能夠在其奔跑過程中靈活運動，以更好地協調整體姿態，提高步幅和奔跑速度。
在波士頓動力公司發布的宣傳視頻中，Wild Cat 可以在戶外敏捷地奔跑，並且可以輕鬆跳過障礙物甚至在奔跑過程中實現急停、掉頭等操作。
我們可以將 Wild Cat 看做是 Cheerah 的 「無線版本」，它高度約為 1.17 米，重量約為 154 公斤，最快移動速度可達 32 公里 / 小時。Wild Cat 可以適應多種地形，在複雜路況條件下也能以 16 公里 / 小時左右的速度保持前行，除此之外，Wild Cat 還能夠實現快速跳躍和快速轉身等動作，相較於 Big Dog 和 LS3 而言，靈活性有了大幅提升。
Wild Cat 具有 14 個自由度，由一台甲醇發動機提供動力，發動機驅動液壓系統，以液壓系統作為驅動輸出動力，進而控制每段肢體的動作，實現軀體的靈活運動。除此之外，Wild Cat 採用激光測距儀來精確測量機器人距地面高度及自身姿態等信息，並通過動態控制演算法計算出四肢所需執行的動作，進而實現穩定運行。
雖然 Wild Cat 採用了甲醇發動機，但運行噪音依然較大，未來如果採用電池能源提供動力，那麼 Wild Cat 就可以實現低噪奔跑，提高其自身的隱蔽性，從而在戰場上發揮出色作用。
Spot：小巧靈活的機靈鬼
波士頓動力公司先後研發了 Big Dog、Cheetah 和 LS3 三款四足機器人，儘管這些機器人在性能方面都有著卓越的表現，但由於噪音問題較為突出，最終都沒有得到廣泛使用。因此，波士頓動力公司充分總結了過去的經驗和教訓，打造了一款名為 「Spot」 的新型四足機器人。
在波士頓動力公司發布的宣傳視頻中，Spot 機器人實現了底噪運行，可以藉助兩條肢體在原地跳躍而不摔倒，並且可以靈活上下樓梯。
Spot 是波士頓動力公司在 2015 年推出的一款四足機器人，其高度約為 0.94 米，重量約為 75 公斤，可背負 45 公斤的有效負載進行自由行動或奔跑。從波士頓動力公司官方發布的視頻來看，Spot 的爬坡速度較 Big Dog 更快，步伐更靈敏。
Spot 具有 12 個自由度，採用電池能源提供動力，從而驅動液壓系統，以液壓系統作為驅動輸出動力，進而控制每段肢體的動作，實現軀體的靈活運動。採用電池能源這一舉措，有效控制住了機器人的運行噪音，但與此同時，機器人的運行時間也受到了影響。在充滿電的情況下，Spot 可以連續運行 45 分鐘左右，這與 LS3 最長連續運行 24 小時的時間形成了鮮明對比。
Spot 採用激光雷達感測器和立體視覺感測器感知周邊路面信息，從而有效避開路面障礙，合理協調四肢動作，但 Spot 的移動並不完全依靠這套感測系統，有時候它也靠 「感覺」。
在波士頓動力公司官方發布的視頻中有這樣一幕：Spot 正獨攀上一段台階，但它並不能根據台階的高度和寬度調節步高和步幅，儘管每一節台階都較矮且寬，但 Spot 還是保持較高的步高和較短的既定步幅，這導致它在攀爬過程中出現了一次失誤。因此我們可以想像，如果這組台階每一節的高度和寬度都不同的話，那麼 Spot 的失誤或許會更多。
之所以會出現這樣的失誤，原因在於 Spot 在攀爬台階的過程中，激光雷達感測器和立體視覺感測器不能捕捉到完善的路面信息，因此 Spot 需要根據僅有的少量路面信息估算四肢的動作，儘管這對 Spot 通行能力的影響幾乎可以忽略不計，但這卻為波士頓動力公司進一步完善機器人行為能力，提供了典型素材。
Spot Mini：執著的 「獨臂勇士」
2017 年 11 月，波士頓動力公司對外展示了其研發的最新一款四足機器人 Spot Mini。與 Spot 相比，Spot Mini 的外形更加小巧，並且在頭部增設了一副機械臂，機械臂的頂端是一個夾手，可以靈活操控物體。
在波士頓動力公司發布的宣傳視頻中，Spot Mini 在人類阻攔的條件下，仍用自身搭載的機械臂奮力打開了關閉著的鐵門。
Spot Mini 高度約為 0.84 米，重量約為 30 公斤，可背負 14 公斤的有效負載自由行動或奔跑。與 Spot 相同，Spot Mini 也採用電池能源提供動力，從而驅動液壓系統，以液壓系統作為驅動輸出動力，進而控制每段肢體的動作，實現軀體的靈活運動。與 Spot 相比，Spot Mini 的單次運行時間有了較大提升，在滿電狀態下可運行約 90 分鐘。
Spot Mini 繼承了 Spot 的所有移動特性，並具有 17 個自由度，其中有 5 個自由度位於其頂部的機械臂上，其餘 12 個自由度平均分布於四肢。機械臂的作用不僅在於操縱物體，還可以在 Spot Mini 跌倒時輔助其重新站立。
Spot Mini 的機械臂上搭載了一個攝像頭，這有助於幫助機械手準確地找到目標物體。除此之外，Spot Mini 的正前方還搭載了一套 3D 立體攝像頭，這可以幫助它更好地觀察前方的障礙物情況，例如，Spot Mini 可以在遇到桌子時降低姿態，從桌子下方順利通過。因此，我們有理由相信，Spot Mini 在進行類似於攀爬台階等活動時，會具有比 Spot 更加出色的表現。
波士頓動力公司曾贈送給特斯拉公司 CEO 埃隆 · 馬斯克（Elon Musk）一台 Spot 機器人，當埃隆 · 馬斯克在戶外運行這台機器人時，旁邊有一隻小狗卻一直衝著 Spot 狂吠不止，這個細節雖然有趣，但也應該引起我們對於機器人外形設計的重視。由於 Spot 與 Spot Mini 有著相似的外形，所以，不難想像，寵物們對於 Spot Mini 的態度應該也不會太友好。因此，如何讓機器人的外形更好地被動物接受應該成為機器人設計工作的重點之一。
「大狗們」 為我們開啟了一扇門
面對機器人智能化程度的不斷提高，有人表示恐懼，也有人表示樂觀，這似乎很好地解釋了 「恐怖谷理論」。在一次公開演講中，馬克 ? 雷波特闡明了自己的觀點，他表示，機器人的發展會給我們的生活帶來積極影響，未來，機器人可以幫助我們照顧父母、看護孩子甚至照顧殘疾人士，而且這一天很快就會到來。
相信你也對網上流傳的 Spot Mini 開門的視頻印象深刻，其實，Spot Mini 打開的不僅是一扇普通的鐵門，更是一扇通向美好生活的大門，只要我們懷揣堅定的信仰，採用先進的技術為機器人賦能，那麼人機共存、互利共生的盛世局面終會到來，而我們正對這一天的來臨，滿懷期待。
來源：雷克世界
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