本刊记者  杨文君
　　
    “绝影”来了！
　　你看：蹬着4条小短腿的它越过人类故意摆放的积木与钢管，继而翻爬陡坡，踏雪奔跑；在经受人类“无影脚”重击之后，打个趔趄，立即四足并用以小碎步调整姿态，蹬着它那有力的小短腿继续优雅前进。
　　此“绝影”非彼“绝影”，它是身长1米，四足站立时高60厘米，重70千克，载重达到20公斤，行走速度每小时6公里，续航时间2小时的四足机器人。此刻，或许你还在猜想这是不是又是美国波士顿动力公司在机器人领域玩出的新花样。但这次，你的猜想是错误的。“绝影”的主人是浙江大学朱秋国老师所在的机器人团队。
　　从“悟空”到“赤兔”再到“绝影”，性能一代比一代更优越的腿足机器人走进了我们的世界，而这是朱秋国腿足机器人研发团队怀抱梦想、坚守信念所结出的硕果。朱秋国说：“在研究腿足式机器人方面，波士顿动力公司仿佛是一座难以逾越的大山。但是，只要我们坚定信心，就一定能研发出像波士顿动力公司一样性能优越的机器人，甚至可以研发出比波士顿动力更具创新性的机器人。”如今，朱秋国团队做到了。面对未来，他们表示，还要继续攻关行动更加灵活的腿足机器人。
　　

腿足机器人，人类的合作伙伴

　　随着人工智能产业化进程加快，机器人成为智能领域的一个重要研究方向。腿足机器人由于自身的独特性，相比其他机器人具有更好的环境适应能力，引起了一股研究热潮。
　　20世纪80年代，美国麻省理工学院开始研究腿足机器人的动态平衡运动与控制。Raibert M等人采用弹簧负载倒立摆模型，通过对速度控制、姿态控制和高度控制的解耦控制，实现了单腿机器人的周期性跳跃，并在此基础上开发了Planar Biped和3D Biped腿足机器人。它们可以在三维空间实现跳跃障碍、跑跳和翻筋斗等动作。
　　经过近20年的发展，进入新世纪，腿足机器人走上发展的快车道：2000年之后，日本Honda公司推出了仿人机器人ASIMO，具有快速跑步、单腿跳跃和不平整地面行走等功能；2008年，密西根大学与俄勒冈州立大学合作研制了新一代的平面双足机器人MABEL，实现了稳定行走和跑步；随后，俄勒冈州立大学开发了全新的3D双足机器人ATRIAS，研究人员通过观察动物与地面反作用力的规律给机器人设计了运动控制器，使得机器人具备更佳的力控效果和更高的能效性；2009年，韩国KAIST研制的HUBO机器人也实现了跑步运动。
　　相对于通过轮子来运动的移动式机器人来说，腿足机器人在自然环境中更有优势，在未来将对我们的生活产生很大影响，如在物资运输、灾后救援、太空探索等方面，腿足机器人将发挥巨大的作用。看到国外腿足机器人如火如荼的发展之势，国内的国防科技大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学等高校及一些科技公司也开展了腿足机器人的研究。浙江大学机器人团队便从2006年开始进行仿人腿足机器人的研究。
　　要使腿足机器人实现物资运输、灾后救援、太空探索等，就必须使机器人各个关节灵活，行动敏捷，反应灵敏。然而，朱秋国说，要达到这一目的，目前还有一定难度。“目前，大多数仿生双足机器人很难实现快速高效的动态跑跳功能。虽然，美国波士顿动力公司研发的Atlas机器人具有优秀的室外不平整地面行走能力，但仍然不具备快速跑步的能力。”朱秋国说。
　　怎样让机器人快速平稳地跑起来？朱秋国提到，仿生设计、运动控制、能量效率三方面一定是重中之重。他说：“人类在长期的进化过程中，为了实现耐久跑而演化出来的人体结构对开展仿生设计具有启发作用。双足跑跳机器人仿生设计应借鉴人体跑跳运动的快速性和能效性机理。目前，双足跑跳机器人很难同时兼顾运动的灵活性和适应复杂环境的鲁棒性。因此，机器人的运动控制应综合考虑运动速度、运动稳定性和环境适应性，需要具备更高的能效性。所以仿生设计、运动控制，能量效率，要面面俱到。”
　　为研发出快速奔跑的双足机器人，朱秋国机器人团队展开了“高能效跑跳双足机器人关键技术研究”。朱秋国告诉记者，该项研究以实现双足机器人高能效的耐久跑跳为目标，围绕机器人跑步运动的快速性、稳定性和高能效性，结合目前双足机器人存在的问题，来开展仿生机构设计、跑跳运动规划、动态平衡控制、以及高能效等关键技术研究。“希望这一项目的研究可以让人们更好地认识人类跑跳运动产生的机理，揭示人类腿部结构、运动协调与能量效率之间的关系，有助于在双足高能效跑跳研究上追赶和超越国际一流水平，进一步推进我国腿足机器人相关技术的研究和发展。”
　　九层之台，起于垒土。在数十年的积累后，在团队成员不计回报的付出后，积累和付出凝聚结晶，朱秋国与团队不仅在腿足机器人研发上越走越远，还给中国带来了可与世界比肩的四足机器人——“绝影”。
　　

“绝影”，惊艳亮相于世界舞台

　　2018年2月11日，这一天，在国产腿足机器人的历史上，是值得纪念的一天。这一天，浙江大学机器人团队发布了一款踹不倒的国产四足机器人，取名“绝影”。
　　说到机器人，美国波士顿动力公司始终是绕不开的话题。
　　“作为一家闻名世界的机器人公司，波士顿每隔一段时间，就会发布一段精彩的机器人视频，刷新全世界对机器人的固有印象。比如，它让机器人学会了在雪地快速行走、后空翻。面对波士顿动力公司的新产品，很多专业人士，都表现出了一面倒的仰慕或些许的自卑。”朱秋国说。
　　然而，自卑没有打倒朱秋国团队，而是更加激发了他们赶超波士顿动力公司的斗志。2012年，朱秋国所在的团队开发了国际上首台具有快速连续反应能力的双足仿人乒乓球机器人“悟空”。作为世界上首个可以接打乒乓球的机器人系统，“悟空”机器人身高165厘米，体重55公斤，全身上下共有30个自由度。他们既能跟人对打，又可以双机器人对打。但是“悟空”与波士顿动力公司发布的小短腿机器人Atlas相比，在行走运动能力上仍然具有较大差距。
　　究竟应该怎样做，才能让机器人行走得更快，稳定性更好？朱秋国反复思考这个问题。
　　在位置控制的基础上，来增加力的控制使机器人的关节更灵活，与环境交互性更好。这是朱秋国团队为完善机器人存在的缺陷所采取的改进措施。于是，朱秋国团队便从一条腿开始尝试做柔性关节，试着在位置控制的基础上加入力的信息。
　　通过基础的研究和反复试验模拟，朱秋国团队基本摸清了机器人相应的基本原理和性能。在一个偶然的契机下，朱秋国团队开始了由双足机器人向四足机器人开发的工作。在团队共同的努力下，经过几年时间的攻关，拥有跑跳、爬台阶、在碎石子路上行走、自主蹲下再站起来等许多能力的“绝影”问世了。
　　在研发过程中，朱秋国团队对“绝影”的硬件系统和控制进行了一系列设计。他说，团队在既有基础上完善了“绝影”的算法，使其在运动上更加智能；并采用实时性较好的操作系统，自主开发一系列驱动程序，来提升信息的传输速度。“现在，‘绝影’的‘大脑’能够快速分析自己的处境，然后命令四肢做出相应的动作。此外，‘绝影’的四肢依靠电机力控驱动，力度的大小决定动作的幅度，这使它的动作特别灵动自然。当遇到意外情况时，它的“大脑”也能快速分析自己的处境，并作出相应的决策。”
　　“绝影”在运动灵活性和稳定性上几乎趋近于波士顿动力公司的四足机器人。与工厂流水线上的机械手臂相比，“绝影”四肢关节运行得更加流畅，更接近于真实动物的关节运动。同时，它还可以做到0.5毫秒发布一个指令，对环境的适应力非常强。
　　在研发机器人的道路上开拓创新，“绝影”不是朱秋国团队仅有的杰作。在“绝影”之前，他们团队还研发了“赤兔”。这只被人戏称为“灵活的小胖子”的四足机器人站在地上，七八十厘米高，体重70公斤，负重最重50公斤，追赶跑跳蹦，样样精通。
　　机器人能够替代我们完成危险的工作，“绝影”的出现，将在安防、侦查、救灾等实际场景中进行应用，成为日常生产生活中的得力助手。从最初对别国机器人的仰望到亦步亦趋再到并行前进，追求卓越一直是朱秋国团队前进途中的精神动力。而在前进的途中，他们将继续把卓越作为奋斗的动力，为世界带来性能更优越的机器人。
　　

赤子情，深藏于美名背后

　　绝影无终，乃一代枭雄曹操的坐骑。《魏书》记载：“公所乘马名绝影，为流矢所中，伤颊及足，并中公右臂。世语曰：昂不能骑，进马于公，公故免，而昂遇害。”
　　今天，朱秋国把他们研发的四足机器人也取名为“绝影”，他说，一是“绝影”源自我国四大名著，这名字里面有很浓厚的中国元素与中国文化，他想借助这个名字为传播中国文化做一点事；二是因为“绝影”这个名字里面更有速度很快、难以望其项背的意思，他希望以此为名，使“绝影”活动更灵活、迅速。朱秋国表示，今后，他会陆续为研发的机器人以中国的名马命名，让这些名字成为我国机器人通向世界的一张名片。
　　“美日韩以研究院或公司为主体，在持续推进机器人研究方面具有更大的优势，这种运作方式具有很好的借鉴价值。我们也不需要太悲观，中国未来肯定也会出现类似波士顿动力公司一样的‘黑马’。”这是朱秋国在此前采访中说的话。现在，在他们团队的努力下，国产腿足机器人已经走在了国际前列。同时，他们还深入研究了双足仿人机器人在未知外力扰动下的平衡控制；开展了基于力/位混合控制的腿足机器人样机研制与运动控制研究；先后开展了欠驱动型的动态平衡控制研究和带被动脚踝关节型的单腿机器人高能效跳跃。在腿足机器人的理论研究与技术开发上，朱秋国团队取得了众多成就。
　　而这些成就是朱秋国团队以汗水与心血浇灌后的所得。在朱秋国看来，他们今天取得的这些成绩离不开团队每个人的努力。在没有任何经费支持下，没有一个成员离开团队，依然坚持往前走。“在严重缺乏经费支持的情况下，我们没有放弃。所以我真的很欣慰，能和这样的队友一起前进奋斗，共筑机器人事业；同样，‘绝影’的问世也使我们相信，只要大家能够坚持不懈地去做一件事情，就一定会成功。”
　　现在，朱秋国希望在他们团队的努力下，通过产学研合作能够建立起中国四足机器人的研发平台，他们也将自己研发的稳定的四足智能机器人提供给更多高校和科研单位，用于教学和科研。“以我们的机器人作为平台，将会省去许多工程性的工作，直接进行控制算法、智能学习等开发工作。我们把这方平台向各大高校、企业开放，就是希望可以有越来越多的人投入到四足机器人的研究中，以此来提升我国腿足机器人研发的整体水平，尽早赶上和超越美国的技术。”
　　一直以来，朱秋国都相信，只要心怀格局，就没有做不成的事。现在，他希望在他们及下一代人的努力下，当再谈到机器人哪家强之时，人们想起的不再是美国、日本，取而代之的是中国。为这一天尽快到来，他和团队将加快对机器人探索的步伐。
　　
　　
专家简介：
　　
　　朱秋国，浙江大学控制科学与工程学院、工业控制技术国家重点实验室、智能系统与控制研究所讲师与硕士生导师，2017年IDC Robocon国际机器人大赛执行主席，IET（工程技术学会）会员。主要从事仿人机器人、腿足跑跳机器人、柔性机械臂、以及康复外骨骼等研究。承担了多项国家和省级项目，发表学术论文30余篇，授权发明专利20余项，其中授权美国发明专利1项。2013年获浙江省科技奖一等奖，2014年获浙江省教学成果奖一等奖等，2017年获浙江大学先进工作者称号。