為什么足式機器人行走如此困難？

最近加州大學伯克利分校和卡內基梅隆大學，展示了ATRIAS足式機器人能夠在隨機變換的障礙地形中行走的過程：盡管踏腳石高度和之間的寬度隨機變化，但ATRIAS可以像人類一樣行走，完美跨越。與人類及大多數陸地動物一樣，腿（足）式機器人需要能夠在崎嶇的地形上移動，以便在災難響應、搜索和救援等應用中發揮作用。

然而，設計能夠處理離散立足點（像碎石或踏腳石）的控制算法是具有挑戰性的，因為這對腳的放置有嚴格的約束，并且這些系統的運動是由復雜的動力學方程控制的。

加州大學伯克利分校的Hybrid Robotics Group一直致力于為高自由度雙足機器人開發正式的控制框架，這種框架不僅能保證在離散地形上精確的步進位置，而且還能對不確定性和外部力量進行建模。這些方法獨立于特定的機器人本身，并已經在各種機器人的模型上，包括RABBIT、ATRIAS和DURUS，進行了（模擬）測試。

團隊通過ATRIAS雙足機器人平臺對控制算法進行了實驗測試，它能夠在隨機變化的離散地形上實現動態步行，步長在30到65厘米之間變化，步高需要向上/向下22厘米，同時保持0.6米/秒的平均步行速度。

為什么離散行走在機器人中如此困難？首先，雙足機器人是高度自由的系統，其運動由復雜的非線性微分方程控制，這些方程捕獲了地面相互作用的混合動力：機器人必須通過不斷地與周圍環境進行接觸來與環境互動。

如ATRIAS這類機器人，是欠驅動的（underactuated），這意味著機器人的腳踝沒有驅動器，只有定點腳。這相當于踩著墊腳石或者踩著高蹺爬著樓梯，保持平衡的唯一方法就是一直走下去。另外踏腳石也嚴格限制了腳的放置，而現實世界中這些墊腳石也可能會倒塌。機器人必須在其他物理限制范圍內工作，如電機扭矩限制和摩擦力（機器人不能滑動）。所有這些限制相互作用，使得控制設計過程變得非常重要。

通過對系統動力學中的非線性進行推理，并利用最優和非線性控制技術的最新進展，可以以簡單緊湊的形式指定控制目標和期望的機器人行為，同時提供穩定性和安全性保證。這意味著，機器人越來越適應在離散的地形上行走，而不會滑倒或摔倒。