智東西（公眾號：zhidxcom）
作者 | 信儀
編輯 | 漠影
美國波士頓動力的Spot mini、麻省理工（MIT）的“迷你獵豹”，中國騰訊的Jamoca、宇樹科技的A1、Dogotix的DG-160A……四足機器人，也就是多數人口中的“機器狗”，正在迅速進入人們的視線。
美國波士頓動力的Spotmini（左一）MIT的“迷你獵豹”（左二）中國騰訊的Jamoca（左三）宇樹科技的A1（右二）Dogotix的DG-160A（右一）
而這次抓住人們眼球的，並不是一隻跑起來“噠噠”作響的普通機器狗，它擁有穿上輪滑鞋的四肢，但並未喪失作為機器狗“撒歡兒、打滾兒”的技能。最重要的是，在它穿上輪滑鞋暴走之前，還在一些工廠任職呢。
穿上“輪滑鞋”暴走的機器人ANYmal
這隻能流暢滑行的機器狗名叫ANYmal，名字在發音上酷似animal（動物），來自於一個瑞士的公司——ANYbotics。
這一團隊是蘇黎世聯邦理工學院機器人系統實驗室（RSL）的衍生公司。自2009年以來，ANYbotics團隊一直在製造四足機器人，至今為止研發出的每一代機器人都在成熟度、自主性和可靠性方面較上一代有所突破。
面對第一批商業需求，這個團隊於2016年成立了ANYbotics公司，以開發用於實際應用的腿式機器人，並在2018年和2019年相繼推出四足機器人ANYmal B和ANYmal C，其中ANYmal C就是我們在開篇看到那隻腳踏“風火輪”的機器人原型。
為機器狗的四條腿裝上輪子，是他們最新的研究成果。他們把這一成果通過題為《Whole-Body MPC and Online Gait Sequence Generation for Wheeled-Legged Robots（為輪腿式機器人配備全身模型預測控制和在線步態序列）》的論文發表在arXiv預印本平台上，論文由蘇黎世聯邦理工學院的幾位作者撰寫。
發表在arXiv預印本平台上的相關論文
論文鏈接： https://arxiv.org/abs/2010.06322
作者之一Marko Bjelonic在接受外媒IEEE Spectrum的採訪時説：“據我的經驗，配備驅動輪的新版本ANYmal機動性可大大提高。我相信這些機器人將首次超越自然，因為沒有任何動物或人能駕馭這一概念。”
外媒IEEE Spectrum報道作者之一Marko Bjelonic受訪內容
除了形態上的優勢，這家公司的機器狗從2017年開始已經對外銷售了，2018年，他們已經開始獲得海外訂單。在商業化的探索上，他們甚至比網紅機器狗波士頓動力的Spot mini做得更好。
能讓研發者毫不吝嗇讚美“超越自然”的ANYmal到底牛在哪？它到底是否有足夠的底氣能和波士頓動力機器狗競爭？這家研發出ANYmal機器人的ANYbotics公司有何來頭？今天我們就通過一篇文章來起底這家公司及其四足機器人產品。
一、遛機器狗嗎？讓你追不上那種穿過草坪，越過石子路，在平地上跳舞……這隻有輪子的機器狗所做的每一個動作都讓我覺得非常流暢，毫無違和感。
通常，機器狗展示在我們面前的形象大多是機械感滿滿的，它們通過被踢到再站起，以及拉動飛機或卡車來體現自身的穩定性和負載能力。而與此不同的是，ANYmal吸引到我的是它輕易就跑過人類行走的速度，以及像人類滑輪滑一樣自如轉彎的畫面。
ANYmal在彎道上行進，且能在碎石子路上行走
據悉，蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊自2018年以來一直在ANYbotics公司試驗輪腿式機器人。在新的原型中，研究人員為機器人的四隻腳上都裝了帶有輪轂電機的輪子，而在機械本體方面保留了和其他四足機器人相似的外觀。
從最新公佈的視頻中我們可以看出，ANYmal輪足機器人的四肢與其四個輪子協調完成的動作已經可以無縫融合了。研究人員還設計了能在車輪模式和行走模式之間切換的算法，ANYmal的速度和穩定性也得以提升。
ANYmal輪腿協調運動
輪足機器人相較於普通足式機器人最大的特點在於，它在保留了足式機器人能夠在非平坦地面上“翻山越嶺”能力的同時，還使機器人可以通過輪子跑得更快。以往足式機器人ANYmal C的行進速度只能達到1m/s，這一速度在同類機器狗中並不出色，但加上輪子的ANYmal行進速度可以直接提升至4m/s，能輕鬆超越正常行走的人類。
輪子能夠提高機器狗移動效率的同時，卻並不會降低其作為足式機器人應對複雜地形的能力，它可以在行駛過程中實現抬腳、調整方向等有高度動態性的運動。
四足機器人ANYmal對室內/室外環境進行探索
在圖中我們可以看到，它不僅能夠快速通過高高的草叢和陡峭的山丘，還能輕鬆在高度為20釐米（佔其腿長32%）的台階上移動，甚至能像真的狗狗一樣抬起前腿28釐米。
此外，它還能在震動環境下匍匐前進，也能在保持身體重心的情況下過“單邊橋”。
斜坡運動測試
令人驚歎的是，在地形感知方面，它是一個“盲眼”機器人。ANYmal無需任何攝像頭或激光雷達，只根據機械本體對車輪下地形的感覺，就可以動態選擇最佳的混合步態，實現輪子滾動和步態運動間無縫切換。如果跨越障礙物時，只使用單個輪子行進效率不高，它身上搭載的車載傳感器和運動計劃控制器可以選擇性控制每個車輪的扭矩，將這條腿切換到腿部運動，同時保持其他腿的輪腿式運動依舊協調運行。
ANYmal通過感知選擇最佳的混合步態
當然，為了能讓ANYmal安全行進，它肯定不是“全盲”，其本體ANYmal C自身配備不同的感知傳感器能確保其安全運行。同時，同步定位和SLAM（地圖繪製）技術還能在複雜和動態的環境中為系統提供機器狗準確的位置信息。研發者“爸爸”再也不怕自家的機器狗跑丟了！
ANYmal的運動規劃
Marko Bjelonic在接受採訪時説，ANYmal使用傳感器識別地形可以通過本體感受信號識別較小障礙物，他們還在進行拓展研發，使機器狗在面對例如樓梯之類的較大障礙物時也可輕鬆處理。
此外，ANYmal腳上的輪子目前還不是“萬向輪”，儘管它能像人類滑輪滑一樣通過對腿部運動的調整進行轉彎，通過機器狗“髖關節（第一個執行器）”的內收、外展進行方向改變，但這對ANYmal在轉向行進方面依舊是個挑戰。對於這個問題，Marko Bjelonic解釋道，正因為受制於沒有更多自由度，研發人員後續才會探索讓ANYmal通過混合滾輪進行行走運動。
Marko Bjelonic認為，受制於對額外自由度的需求和自然界中缺少相關借鑑的原因，如今市面上採用混合步態運動的產品還較少，但他認為每一個有腿的機器人都應該有輪子。
二、原型化身“工程狗”，能進工地能下水雖説ANYmal的原型ANYmal C跑得不快，但它除了具備其他機器狗幾乎都能做到的爬樓梯、避障能力外，還有一個獨特的優勢——能下水。
此外，研究人員還在這款機器狗的身上使用了鮮少在真實的開發環境中使用的深度強化學習技術，使其在數據驅動的開發上更有優勢。由於有獨特優勢加持，它成為了登上《Science Robotics》封面的四足機器人之一。
ANYmal C登上《Science Robotics》封面
ANYmal C具有堅固的外殼，達到IP67等級防水防塵標準，能完全防塵並能在1米深的水中浸泡1小時。ANYmal C可以自己走入水中進行工作。
ANYmal C在水中工作
它的續航能力能超過2小時，在工作一段時間後，它還能自動上岸找到自己的錐型充電樁進行充電，或者通過人的幫助輕鬆換塊電池。ANYmal C充電100分鐘就可以恢復70%電量，3小時就能充滿電。充滿電後，它還可以自動站起身，重新走回水中進行工作。
ANYmal C上岸自己找到充電樁充電
ANYmal C在晝夜均能操作，並能在0~40℃温度下工作。因此，它可以在有雨、濺水、風、雪和灰塵的惡劣環境中憑藉可靠性能進行正常運作。此外它還能抗干擾，並且適應環境，即使在惡劣環境中滑到側翻，也能自己站起來。
ANYmal C在下坡的雪地上行走
在運動行進方面，ANYmal C裝有感知傳感器，其配備的深度相機可以對地形和障礙進行感知；360°LIDAR（激光雷達）高精度掃描可以讓它的視野最遠延伸到100米；前後的廣角攝像機為遠程操作機器狗提供了清晰視野；此外，還有基於衞星的户外環境導航可以選擇使用。
這隻機器狗可以在複雜的環境中實現完全自主地導航。在受到環境引導後，ANYmal C就會記住它所經過的每一個角落和縫隙，並找到完成任務的最快路徑。在運行過程中，它能在動態環境下安全導航，進行實時避障，同時基於可感知的足跡計劃路線，征服不同難度的地形。
為了讓ANYmal C在任何場景下行走都能如履平地，ANYbotics的研究人員開發了一種本體感受控制器，選用了時間卷積網絡（TCN）序列模型，根據需要從本體感受歷史中推理出接觸和滑動事件，並通過訓練教師指導和支持本體感受的特權學習強化訓練ANYmal進行越野運動，最後讓控制器遍歷各種不同難度的地形參數，使其魯棒性更強（更健壯、強壯）。
ANYmal C在不同場景工作
此外，ANYmal C的運動能力也很多樣，它的雙腿完全由扭矩控制的執行器驅動，能實現全向運動，可以爬20°的坡，45°的樓梯，能克服35釐米高的台階，能跨越20釐米的障礙，還可以爬入高度低至60釐米的空間。
ANYmal C自重50公斤，具有10公斤的有效負載能力，內置的通信和電源接口以及專用的機載計算機，可以讓這隻機器狗執行大部分任務。ANYbotics的CEO Péter Fankhauser説，ANYmal C擁有三台內置的英特爾i7處理器，為一些例如自動檢測的任務提供算力。
ANYmal C產品規格
在機器狗的背上，研發人員為其配備了一個有效載荷模塊，上面集成有多種檢查傳感器。智能檢查算法使其能夠監測計量表、指示器等物體的位置、讀取結果並將其轉化成數字顯示；同樣，模塊化的軟件還可以檢查閥門、讀取油位、檢查發熱點和環境中的鏽蝕情況等。
ANYmal C通過有效載荷模塊識別工地故障
這些解決方案的組合，可以使ANYmal在範圍較大的場景中進行巡檢。在操作過程中，工作人員可以將機器人切換為遠程操控模式，以便遠距離幹內置環境狀態，這樣就可以避免工作人員暴露在有害或令人不適的環境中，降低了安全隱患。
ANYmal C在工作中自動躲避工人
同時，ANYmal C配有一個檢查單元，配備了10倍光學變焦相機、熱感相機、用於頻率分析的超聲波麥克風，以及用於在黑暗中工作的高強度LED燈。“穿上”一身裝備，ANYmal C妥妥成為一隻現身工地的“工程狗”。
ANYmal C的檢查單元
ANYmal C在黑暗中工作
目前，ANYmal C這款機器狗已經面向客户和工程方出售和出租，ANYbotics團隊在官網中寫道，如果客户想要對機器人系統進行評估，其工程師可以在全球範圍內提供驗證和試驗安裝。
這家位於瑞士蘇黎世的硬核公司，其背後的支撐者是一羣高材生，聯合創始人兼CEO Peter Fankhauser、CTO Christian Gehring、技術VP Mario Mauerer和Robert Mackenzie都擁有蘇黎世聯邦理工學院的博士學位。
ANYbotics聯合創始人兼CEO Péter Fankhauser
ANYbotics的CEO Péter Fankhauser説：“如今，巡檢工作都由經過培訓的工作人員進行，他們需要人為檢查設備的完整性和環境的狀態。這種手動的人工檢查和記錄工作既乏味冗長又容易出錯，並且常常將人置於危險環境之中。”
他説，ANYbotics公司的目標是將四足機器人ANYmal背後的技術商業化，通過完全自主的機器人系統，將這些例行巡檢的工作變得自動化。
ANYmal機器人可以在複雜的工業環境中行走，並且機器人身上的傳感器使其能夠定位、感知障礙物並在工業場所安全巡航通行。他們希望能夠在複雜的工業環境中，幫助工作人員以數字化方式開展巡檢和維護工作。
雖説ANYbotics公司2016年才成立，但從2009年開始，這個團隊一直在製造四足機器人。2009年，蘇黎世聯邦理工學院研發出的第一個腿式機器人ALoF問世，這個機器人可以行走、能自我矯正，還能趴在山丘上爬行。
ANYbotics從2009年至今研發製造的四足機器人
2012年，他們推出了一個能跑能跳且耐用的研究平台StarlETH。2015年，配有模塊化驅動器和基於激光雷達導航的第一款ANYmal機器人ANYmal Alph面世。2017年，公司推出的第二代ANYmal Beth機器人可以爬樓梯，並在各種環境中測試檢查任務。並且在那時，ANYbotics就已經開始研發輪腿式機器人了。同年，團隊迅速擴張，並在2017年完成了第一筆銷售訂單。
ANYmal Beth自己用電梯
早期技術尚不成熟的輪腿式ANYmal機器人
2018年，ANYbotics為其四足機器人重新設計了執行器和視覺系統，ANYmal B成為了ANYbotics公司商業化的第一代機器人，產品還順利完成在海外的部署。
2019年，ANYbotics搬到了他們在蘇黎世的新辦公室，推出了最新一代的四足機器人ANYmal C，它堅固耐用，能在工業巡檢中提供不錯的表現，還能自己走去充電。後續，他們為ANYmal C的四隻腳進行了改良，也就成為了我們在開篇看到的“滑輪滑的機器狗”。
2020年12月17日，他們完成了 2230萬美元的A輪融資，並表示新獲得的資金將用來幫助ANYbotics拓展業務。
四、世界上令人驚呼“想不到”的輪足式機器人在此之前，智東西也報道過不少足式機器人和輪式機器人，波士頓動力的Spot mini算得上是四足機器人的典型代表，而我們日常見到的服務機器人也多以輪式機器人居多。而將輪足結合起來，隨意切換運動的機器人在機器人家族中算得上是一個“珍惜物種”。
波士頓動力公司在2019年推出了物流機器人——Handle，它通過兩隻輪子行走的同時，還可以藉助兩條腿進行運動調整，使其不僅能精準“走”到貨架，還能根據貨物的高度調整腿長身高。
Handle根據貨物的高度調整身高
再將時間往前推到2018年，意大利技術研究院還研發出了一款名為Centauro的“人馬機器人”，它專為救災任務設計，能夠運用四足在地形破碎的環境中穩步移動，並使用雙手搬運物體。Centauro的每條腿有6個自由度，供其靈活地行走、爬樓梯。
意大利“人馬機器人”Centauro
此前擔任韓國平昌冬奧會機器人火炬手的DRC-HUBO機器人由韓國 KAIST 團隊研發，它應該算得上是較早一波出現的輪腿式機器人。但它與ANYmal輪腿切換的方式不同，DRC-HUBO在站立時是典型的人形雙足機器人，而當需要它流暢快速行進時，它會直接“跪下”，用膝蓋上的輪子進行移動。這種切換也是令人驚呼“想不到”。
韓國 KAIST 團隊研發的DRC-HUBO機器人
結語：腿+輪式動力，混合步態更靈活腿能讓機器人跨越障礙，輪子能讓機器人在平地上快速移動，二者如果能結合且能任意切換，就能實現機器人在運動上的一大跨越。但受制於自然中沒有仿生標準，以及二者在技術上的融合難題，真正亮相在人們眼前的輪腿式機器人少之又少，而ANYmal做到了這一點。
它在草地、石子路甚至是在上樓梯時靈活地滑行、跳躍的樣子，甚至讓人們覺得輪子就是長在這隻“機器狗”的狗爪肉墊上。給機器狗裝上輪子，或許成為了四足機器人界的一個新突破。我們也期待這個學霸雲集的公司ANYbotics後續還能令人驚呼“想不到”的新驚喜。