隨著科技的快速發(fā)展，人類正在被先進(jìn)的機(jī)器所替代，就像最近網(wǎng)站上發(fā)布的視頻那樣，視頻中，十只spotmini依次排列，整齊劃一的步伐開(kāi)始了“狗生”的纖夫生活。看著他們一步一步拉動(dòng)卡車前進(jìn)，令人十分驚嘆！那么波士頓動(dòng)力公司到底是一家什么樣的公司呢？該公司主要做哪些產(chǎn)品呢？帶著這些疑問(wèn)，讓我們一起來(lái)了解下這家公司吧。

波士頓動(dòng)力公司（英語(yǔ)：Boston Dynamics）是一家美國(guó)的工程與機(jī)器人設(shè)計(jì)公司，此公司的著名產(chǎn)品包含在國(guó)防高等研究計(jì)劃署（DARPA）出資下替美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)的四足機(jī)器人：波士頓機(jī)械狗，以及DI-Guy，一套用于寫(xiě)實(shí)人類模擬的現(xiàn)成軟件（COTS）。此公司早期曾和美國(guó)系統(tǒng)公司一同接受來(lái)自美國(guó)海軍航空作戰(zhàn)中心訓(xùn)練處（NAWCTSD）的一份合約，該合約的內(nèi)容是要以DI-Guy人物的互動(dòng)式3D電腦模擬，取代海軍飛機(jī)彈射任務(wù)訓(xùn)練影片。

該公司由Marc Raibert和其合伙人一起創(chuàng)辦。Marc Raibert是著名的機(jī)器人學(xué)家。其28歲畢業(yè)于MIT，隨后在CMU擔(dān)任過(guò)副教授，并且在那里建立了CMUleg實(shí)驗(yàn)室研究與機(jī)器人有關(guān)的控制和視覺(jué)處理相關(guān)的技術(shù)。在37歲時(shí)回到MIT的繼續(xù)從事機(jī)器人相關(guān)的科研和教學(xué)工作。在1992年，其與合伙人一起創(chuàng)辦了Boston Dynamics這家公司，開(kāi)啟了機(jī)器人研究的新紀(jì)元。

在2013年12月13日，波士頓動(dòng)力公司被Google收購(gòu)。2017年6月9日軟銀以不公開(kāi)的條款收購(gòu)谷歌母公司Alphabet旗下的波士頓動(dòng)力公司。我們一起來(lái)回顧一下波士頓動(dòng)力的機(jī)器人項(xiàng)目吧。

據(jù)筆者所知，波士頓動(dòng)力旗下有不少產(chǎn)品線，包括 4 足的 Spot、SpotMini機(jī)器人、Atlas 雙足機(jī)器人、在倉(cāng)庫(kù)搬貨的 Handle 兩輪機(jī)器人，其他還有 4 輪機(jī)器人 SandFlea、機(jī)器手臂 Pick 等。以下是幾款機(jī)器人的例子。

BigDog

波士頓機(jī)械狗（Boston Dynamics BigDog）是一種動(dòng)力平衡四足機(jī)器人，由波士頓動(dòng)力公司、福斯特-米勒公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，以及哈福大學(xué)康德菲爾德研究站共同于2005年研發(fā)。

該項(xiàng)目是由美國(guó)國(guó)防高等研究計(jì)劃署出資資助。希望研制一種能夠負(fù)重的機(jī)械騾，能夠和士兵一起在傳統(tǒng)機(jī)械車輛無(wú)法行駛的粗糙地形上作戰(zhàn)。

它沒(méi)有車輪或者履帶，而是采用四條機(jī)械腿來(lái)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械腿上面有各種傳感器，包括關(guān)節(jié)位置和接觸地面的部位。它還有一個(gè)激光回轉(zhuǎn)儀，以及一套立體視覺(jué)系統(tǒng)。

機(jī)械狗有一米長(zhǎng)，0.7米高，75千克重，幾乎相當(dāng)于一頭小騾子的體積。目前能夠以每小時(shí)5.3公里的速度穿越粗糙地形，并且負(fù)載154千克的重量。它能夠爬行35度的斜坡。

其運(yùn)動(dòng)是由裝載在機(jī)身上的計(jì)算機(jī)控制的。這臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠接收機(jī)器上各種傳感器傳達(dá)的信號(hào)。導(dǎo)航和平衡也由這個(gè)控制系統(tǒng)控制。

2008年3月18日，波士頓動(dòng)力公司釋放了一段關(guān)于新一代的機(jī)械狗的錄像，在這個(gè)錄像當(dāng)中，機(jī)械狗能夠穿越結(jié)冰地面，并且能夠在被側(cè)踹之后恢復(fù)平衡。

Atlas

Atlas機(jī)器人（英語(yǔ)：Atlas（robot））是一個(gè)雙足人形機(jī)器人，由美國(guó)波士頓動(dòng)力公司為主開(kāi)發(fā)，和由美國(guó)國(guó)防部國(guó)防高等研究計(jì)劃署（DARPA）的資助和監(jiān)督。這個(gè)身高6-英尺（1.8-米） 的機(jī)器人是專為各種搜索及拯救任務(wù)而設(shè)計(jì)，并在2013年7月11日向公眾亮相。

新版本Atlas機(jī)器人

新版本Atlas機(jī)器人

2016年2月23日，波士頓動(dòng)力公司在YouTube上發(fā)布了一個(gè)新版本Atlas機(jī)器人的視頻。 新版本的Atlas設(shè)計(jì)用于在戶外和建筑物內(nèi)部操作。 它專門(mén)用于移動(dòng)操縱，非常擅長(zhǎng)在廣泛的地形上行走，包括雪地。 它是電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。它使用身體和腿部的傳感器進(jìn)行平衡，并在其頭部使用光學(xué)雷達(dá)和立體傳感器，以避免障礙物，評(píng)估地形，幫助導(dǎo)航和操縱對(duì)象，即使對(duì)象被移動(dòng)。 這個(gè)版本的Atlas機(jī)器人是大約175cm（5英尺9英寸）高（大約比DRC Atlas矮一個(gè)頭），重量為180磅（82千克）。

經(jīng)過(guò)一年年的技術(shù)迭代，波士頓動(dòng)力的四足機(jī)器人不在僅僅是應(yīng)對(duì)軍方的大狗機(jī)器人，而越來(lái)越變得小巧靈活，適應(yīng)力極強(qiáng)。

為了探索其背后的技術(shù)路線，我們對(duì)波士頓動(dòng)力申請(qǐng)的專利進(jìn)行了檢索分析：

波士頓專利布局情況

對(duì)小波的主要申請(qǐng)人BostonDynamics進(jìn)行檢索，檢索截止日期為2019年1月，其中涉及機(jī)器人的專利文獻(xiàn)共有72篇，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，可以得到如下結(jié)果：

波士頓動(dòng)力的專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)圖

可以看出：從2001~2011年，波士頓共申請(qǐng)了4件有關(guān)足式機(jī)器人的專利，這十年是足式機(jī)器人技術(shù)的探索階段，即專利布局的早期階段；從2014年開(kāi)始，波士頓動(dòng)力在足式機(jī)器人的不同技術(shù)維度開(kāi)始進(jìn)行專利布局，直至2017年都保持了較高的申請(qǐng)量，這期間不斷推出了足式機(jī)器人的改進(jìn)版，于2016-2017年推出的SpotMini是更新?lián)Q代的產(chǎn)品（爬樓梯的SpotMini），為其商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

如下圖所示，通過(guò)對(duì)上述72篇專利進(jìn)行分類標(biāo)引，波士頓動(dòng)力四足機(jī)器人的技術(shù)領(lǐng)域主要涉及液壓驅(qū)動(dòng)和電液混合驅(qū)動(dòng)，上述技術(shù)保證了機(jī)器人具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力，而步態(tài)規(guī)劃、平衡控制、復(fù)雜地形動(dòng)態(tài)規(guī)劃以及自我回正屬于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)也是波士頓的核心技術(shù)，上述技術(shù)使機(jī)器人更好的適應(yīng)環(huán)境，維持動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)。

波士頓動(dòng)力的專利技術(shù)分布圖

下圖為波士頓動(dòng)力足式機(jī)器人專利技術(shù)路線圖。

波士頓四足機(jī)器人技術(shù)路線圖

1、波士頓動(dòng)力早期專利

通過(guò)分析波士頓動(dòng)力的專利申請(qǐng)趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，波士頓動(dòng)力雖然成立于1992年，然而早期的專利申請(qǐng)多是關(guān)于離合器、軸承、醫(yī)療器械等，直至2001年9月21日才與SONY公司聯(lián)合申請(qǐng)一種仿生寵物狗機(jī)器人專利（US6484068B1），該專利主要解決的是寵物狗機(jī)器人的跳躍控制。

專利中將跳躍劃分為兩個(gè)控制階段，第一階段控制機(jī)器人的四個(gè)腳同時(shí)跳離地面，第二階段控制前腿先落地后腿后落地，通過(guò)改變腿的落地角度和延遲角度實(shí)現(xiàn)落地。

而在2004年6月9日波士頓動(dòng)力獨(dú)立申請(qǐng)了一份可以行走或爬行的多足機(jī)器人的專利US20050275367A1，設(shè)置在機(jī)身上的12個(gè)電機(jī)通過(guò)錐齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)六個(gè)腿的運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。通過(guò)這種錐齒輪機(jī)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人身體高度的調(diào)整。

經(jīng)過(guò)了前期在多足機(jī)器人領(lǐng)域的探索，波士頓動(dòng)力在多足機(jī)器人的發(fā)展上持續(xù)改進(jìn)，并將其成果進(jìn)行專利布局。

2、四足機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)分析

動(dòng)力問(wèn)題是機(jī)器人的核心問(wèn)題，關(guān)系著機(jī)器人能否動(dòng)起來(lái)，工作時(shí)間的長(zhǎng)短。波士頓動(dòng)力早期的機(jī)器人主要是電機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)于沒(méi)有載荷要求的機(jī)器人而言是足夠的，對(duì)如Bigdog這類以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力且需搭載較大負(fù)荷的機(jī)器人則顯得力不從心，為此，波士頓動(dòng)力在液壓驅(qū)動(dòng)方面布局了較多專利，如下圖的液壓控制技術(shù)發(fā)展路線。

波士頓動(dòng)力液壓控制發(fā)展路線圖

BigDog系統(tǒng)能耗高的問(wèn)題突出，能量的多次轉(zhuǎn)換、多環(huán)節(jié)傳遞造成了大能量損失，如下圖所示為足式機(jī)器人在前行中理想的足部軌跡，腿部的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在理想軌跡下機(jī)器人可降低液壓驅(qū)動(dòng)能耗。

足式機(jī)器人在不同場(chǎng)合需要不同的功率供給，具有不同功率模式切換是降低功耗的重要手段，為此，波士頓動(dòng)力在2008年10月14日提交的專利US20100090638A1中通過(guò)傳感器檢測(cè)力，控制器控制閥適時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)按需高功率或者低功率模式。在此基礎(chǔ)上，波士頓動(dòng)力在2011年5月18日提交的專利申請(qǐng)US20120291873A1中公開(kāi)了一種具有高壓油路，中壓油路和低壓返回油路的液壓系統(tǒng)。

為了提高機(jī)器人運(yùn)行的效率、減小功率消耗以及提高運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)健性，波士頓動(dòng)力在2014年8月1日提交的專利US20160023647A1中通過(guò)判斷關(guān)節(jié)承受的載荷類型和大小，以選擇適當(dāng)?shù)囊簤夯螂妱?dòng)致動(dòng)器，使得機(jī)器人的功率消耗最低。如下圖所示，機(jī)器人根據(jù)不同的負(fù)載選擇不同的驅(qū)動(dòng)方式組合。

比外，波士頓動(dòng)力還在提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定供壓、通過(guò)不同壓力組合、分階段供壓、提高液壓部件損壞工作壽命、提高閥的響應(yīng)速度等方面均進(jìn)行了專利布局。以上這些專利中的技術(shù)均用于保證液壓系統(tǒng)高效和可靠工作。

3、四足機(jī)器人步態(tài)分析

在解決了動(dòng)力方面的問(wèn)題后，還需解決機(jī)器人如何動(dòng)的問(wèn)題。四足機(jī)器人在行進(jìn)時(shí)不同的時(shí)間段需要不同的行進(jìn)速度，而不同的行進(jìn)速度對(duì)應(yīng)不同的步態(tài)，四足機(jī)器人的步態(tài)包括Walk（慢走）、Trot（小跑）、Bounding（跳躍）、Gallop（飛奔）。

通過(guò)檢索，波士頓動(dòng)力在步態(tài)轉(zhuǎn)換方面先后申請(qǐng)了6件專利，其技術(shù)發(fā)展主要涉及如何實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)、制定步態(tài)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則、制定步態(tài)列表等。

波士頓動(dòng)力在2014年12月17日申請(qǐng)且已授權(quán)的專利US9395726B1中公開(kāi)了機(jī)器人通過(guò)控制俯仰角、高度、速度以及其產(chǎn)生的力實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)。

本月的7號(hào)，波士頓動(dòng)力進(jìn)行了一筆收購(gòu)交易，這也是該公司歷史上的第一筆收購(gòu)交易。它收購(gòu)了總部位于加州門(mén)洛帕克（Menlo Park）的 Systems，該公司利用視覺(jué)傳感器和深度學(xué)習(xí)軟件幫助機(jī)器人操縱箱子。此次收購(gòu)沒(méi)有披露財(cái)務(wù)細(xì)節(jié)。目前該公司已將其技術(shù)運(yùn)用在Handle機(jī)器人上，波士頓動(dòng)力未來(lái)也會(huì)希望銷售這個(gè)產(chǎn)品。

仿生機(jī)器人的難點(diǎn)就在于運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的控制，但是這個(gè)難點(diǎn)在波士頓這里反倒成了他們最為突出的優(yōu)勢(shì)，反觀國(guó)內(nèi)，在這個(gè)領(lǐng)域與波士頓動(dòng)力的差距可不是一星半點(diǎn)。要趕上波士頓動(dòng)力的步伐，還需要走很長(zhǎng)的路。也期待國(guó)內(nèi)的科研工作者們?yōu)槲覀儙?lái)更為創(chuàng)新的技術(shù)！