这个机器牛是顶流

刘芯伶

从节目表现来看，拓荒牛的先进性在于动作自然柔顺，反应快速准确。这种人都很难做得到的表演，有赖于系统和控制两方面的高效结合。

让机器人“整齐划一”有多难

据提供“拓荒牛”机器人的公司介绍，它本体重量 60 kg，最大负重达到 15 kg，采用了通用力控关节，同时满足高精度高带宽力矩控制和较大的力矩质量比，其背后蕴含着一系列中国科技企业自主研发的硬核技术：高性能实时主控系统、力控伺服驱动器、全动力学优化算法、激光雷达定位导航算法

让数十台机器人以整齐划一的动作完成表演，在硬件控制和软件算法上都存在着许多难点。以今年春晚上亮相的“拓荒牛”为例，主要难点有二。

一是力控关节

要具备优美、连贯的肢体表现力，关节的灵活运用起到了关键的作用。“拓荒牛”机器人能够做出高难度动作，也是归功于此。它共有16个自由度：每条腿3个自由度 （共计12个）、头部3个自由度、尾巴1个自由度。在拥有如此多的自由度下，能让“关节”精准地输出位置和力矩，力控伺服驱动器是核心。简单来说，就是机器人身上的每个伺服驱动器，在接收到指令之后会做到实时响应;多个伺服驱动器“协同运行”，便可以让机器人灵活运动起来了。

从硬件构成来看，伺服驱动器主要包括了电机、减速器、码盘和力矩反馈单元等。针对“拓荒牛”的表演任务，对伺服驱动器各个硬件的选型，也成为了一个重要的问题。这一问题靠利用正反驱固有频率匹配和惯量匹配的方法，得到很好的解决。

与其他四足机器人产品不同，“拓荒牛”四足机器人采用的通用力控关节，未来能够在其他机器人产品上作为腿部和手臂关节使用。值得一提的是，这是在2020年10月才刚刚研发出来的。

二是步态算法和定位算法

从舞台上“拓荒牛”的表演中不难看出，大型四足机器人在台上不仅要快速行进，而且还要完成高难度动作，这就需要高动态运动控制算法，来实现给定轨迹的跟踪。

提供机器人的企业早前在大型仿人服务机器人Walker的研发中，对“基于优化的全身运动控制”算法软件库很熟悉，使得此次對于“拓荒牛”机器人的算法研发工作，并不是“从0到1”的过程。在Walker的动力学模型基础上，他们快速研制出适用于四足机器人的模型。

除此之外，要完成表演，还需根据舞蹈的动作命令，利用软件库实时求解出各个关节所需要的力矩。同时对“演员”在舞台的定位也是算法层面的另一个难题。为此， 工程师们针对舞台现场的特点，优化了激光雷达建图定位算法，建立了舞台的3D地图，解决了这一问题。

与此同时，在高性能算力的支持下，这些复杂的算法才能够控制在1kHZ下实时完成。

机器人大赛中的四足机器人

四足机器人在大学生机器人比赛中也常有亮相。据北京科技大学MEI机器人队辅导老师介绍，在ROBOCON比赛中采用的四足机器人，以雷达红蓝场互换结构实现定位导航，运用逆向运动学的知识设计末端执行器，在设计出摆动轨迹后，计算出电机在运动时刻摆动的角度，以实现跳跃避障、原地转向和步态平衡。

在人工智能和机器人教育蓬勃发展的大形势下，四足机器人由于其结构简单、部署方便，能够帮助学生快速理解和实践基础人工智能和机器人知识，助力高校科研教育;另外在商业服务、安防巡检等领域，四足机器人在复杂环境中有更好的运动能力，能够为各行各业提供智能服务。

目前四足机器人没有正式开售，前期硬件、软件及其他研发费用较高，市场上的刚性需求并不清晰，商业化仍待时间考验。且从市场规模和国家政策支持来看，机器人产业的发展前景十分广阔。机器人行业的发展以技术进步为导向，相信随着先进技术的不断更新迭代，智能机器人将会走进千家万户，让我们的生活更加便捷、更加智能。

责任编辑：朴添勤