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225從技術(shù)角度來說，四足（quadruped）這個(gè)詞意味著「四只腳」。機(jī)器人學(xué)者傾向于將該術(shù)語應(yīng)用于任何使用四肢行走的事物，以區(qū)別于雙足機(jī)器人（后者靠?jī)芍凶撸?。但是，在機(jī)器人學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域都有一個(gè)巨大的、模糊的交叉點(diǎn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物在需要操縱某些東西時(shí)，可以從四足過渡到兩足。
如果把四足機(jī)器人簡(jiǎn)單地看成是有四個(gè)肢體（limb）的機(jī)器人，而不是有四只腳（foot）的機(jī)器人，它們開始顯得更「多才多藝」，但這種過渡可能是一個(gè)棘手的問題。在近日于日本京都舉行的智能機(jī)器人和系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議 IROS 2022 上，來自馬薩諸塞州伍斯特理工學(xué)院（WPI）和上?？萍即髮W(xué)的研究人員展示了一種可推廣的方法，即現(xiàn)成的四足機(jī)器人可以變成兩足機(jī)器人，只需要通過一些巧妙的軟件和微小的機(jī)械改造。
此前也出現(xiàn)過可以從四足過渡到兩足的機(jī)器人，但它們的設(shè)計(jì)總是非?？桃?，而且在重量、復(fù)雜性和成本方面付出了代價(jià)。而這項(xiàng)最新研究的獨(dú)特之處在于，它的目標(biāo)是適用于任何四足機(jī)器人——通過一些非常小的硬件，你的四足機(jī)器人就可以變成兩足機(jī)器人。
這種雙足化部件的機(jī)械部分是一個(gè) 3D 打印的支撐桿，被安裝在四足動(dòng)物每條后腿的脛骨上，以提供額外的支持，使機(jī)器人能夠站立和穩(wěn)健地行走。如果沒有脛骨附件，機(jī)器人就不會(huì)有靜態(tài)穩(wěn)定性。這在機(jī)器人站立時(shí)尤其有用，因?yàn)樗馁|(zhì)心在這個(gè)過程中得到了充分的支撐。視頻顯示，這種方法可以讓一種 看起來像 Mini Cheetah 的機(jī)器人站起來直立行走，但其實(shí)，只要滿足一些基本要求，其他機(jī)器人也能用同樣的方法。
機(jī)器人直立之后的行走策略首先是在一個(gè)模擬環(huán)境中訓(xùn)練的，然后又遷移到了實(shí)體的機(jī)器人身上。這并非易事，因?yàn)榭刂破髟噲D讓機(jī)器人既能行走又不會(huì)摔倒，目前表現(xiàn)最好的策略能夠讓機(jī)器人行走數(shù)米——一個(gè)看起來不足為奇的成績(jī)。
但重要的是，這個(gè)機(jī)器人在設(shè)計(jì)之初并沒有考慮雙足行走，所以從某種意義上說，軟件正在努力讓硬件以一種它不應(yīng)該而且肯定沒有優(yōu)化過的方式工作。也許，如果這種能力能夠擴(kuò)展開來，四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)者可能會(huì)受到激勵(lì)，給他們的機(jī)器人增加一點(diǎn)靈活性，使其更具有適應(yīng)性。
關(guān)于更多的研究信息，IEEE Spectrum 對(duì)伍斯特理工學(xué)院教授 Andre Rosendo 進(jìn)行了采訪。
IEEE Spectrum：從根本上說，四條腿（ four-legged）的機(jī)器人和四條腿（four-limbed）的機(jī)器人有區(qū)別嗎？
Andre Rosendo：正如在自然界中看到的那樣，四足運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的速度，機(jī)器人在用四條腿運(yùn)動(dòng)時(shí)明顯更快。同樣地，動(dòng)物從四條腿過渡到兩條腿的過程中所看到的與可操縱性有關(guān)的好處（例如，南方古猿用手把食物送到嘴里），對(duì)機(jī)器人來說也是存在的。我們目前正在為前肢開發(fā)一個(gè)「可變末端作用器」，以使這種四足機(jī)器人在站立、處理和操作物體時(shí)成為一個(gè)「雙臂操作器」。
IEEE Spectrum：你們?yōu)槭裁礇Q定采用這種特殊的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)雙足的轉(zhuǎn)換？
Andre Rosendo：我們注意到，用固定的結(jié)構(gòu)來調(diào)整四足機(jī)器人的后腿是相當(dāng)容易的，而且性能下降的幅度非常小。雖然沒有主動(dòng)式結(jié)構(gòu)那么美觀，但現(xiàn)在材料的進(jìn)步讓我們能夠使用從腿部伸出的小型碳纖維部件來模仿腳帶來的相同的被動(dòng)穩(wěn)定性（在腿部運(yùn)動(dòng)中被稱為穩(wěn)定多邊形）。另一方面，主動(dòng)伸縮系統(tǒng)會(huì)在腿上增加一個(gè)微小的馬達(dá)，增加腿在運(yùn)動(dòng)過程中的慣性矩，對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
IEEE Spectrum：這個(gè)系統(tǒng)的行走性能有什么限制？
Andre Rosendo：我們?cè)谀M環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了訓(xùn)練，行走的步態(tài)在被遷移到現(xiàn)實(shí)世界后是穩(wěn)定的，盡管很緩慢。雙足機(jī)器人的腿部通常有更多的自由度，以允許更多動(dòng)態(tài)的和適應(yīng)性的運(yùn)動(dòng)，但在我們的案例中，我們專注于多模式方面，以獲得兩個(gè)層面的好處：四足機(jī)器人的穩(wěn)定性和速度以及雙足機(jī)器人的靈活操作能力。
IEEE Spectrum：你們下一步的工作是什么？
Andre Rosendo：我們下一步將開發(fā)這個(gè)機(jī)器人的可操作性。更具體地說，我們一直在問自己一個(gè)問題——「現(xiàn)在我們可以站起來了，那么還可以做什么其他機(jī)器人做不到的事情？」對(duì)此，我們已經(jīng)有了一些初步的結(jié)果，那就是爬到比機(jī)器人本身重心高的地方。在對(duì)前肢進(jìn)行機(jī)械改造后，我們將更好地評(píng)估可能需要雙手同時(shí)操作的復(fù)雜操作，這在目前的移動(dòng)機(jī)器人中是罕見的。
