文|智東西 程茜
編輯|心緣
智東西11月18日?qǐng)?bào)道，最近，一件專利訴訟案頗受關(guān)注。主角是機(jī)器人領(lǐng)域聲名赫赫的先進(jìn)機(jī)器人設(shè)計(jì)公司波士頓動(dòng)力，它狀告競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Ghost Robotics抄襲了自家的機(jī)器狗技術(shù)。
波士頓動(dòng)力在提交給美國(guó)特拉華聯(lián)邦地區(qū)法院長(zhǎng)達(dá)110頁(yè)的訴訟文件中指出，Ghost Robotics侵犯了其四足機(jī)器人Spot相關(guān)的7項(xiàng)專利，包括機(jī)器人自我扶正、爬樓梯、步態(tài)干擾、追蹤器、驅(qū)動(dòng)器等，都是機(jī)器人智能化升級(jí)中的關(guān)鍵技術(shù)。
波士頓動(dòng)力和Ghost Robotics四足機(jī)器人外形對(duì)比（左為Spot，右為Vision 60）
相關(guān)專利包括:
波士頓動(dòng)力專利訴訟文件：
波士頓動(dòng)力提交的訴訟文件
“創(chuàng)新是波士頓動(dòng)力的生命線。”波士頓動(dòng)力公司發(fā)言人在發(fā)給外媒《機(jī)器人報(bào)告》（The Robot Report ）的電子郵件中寫(xiě)道：“我們的機(jī)器人專家已在全球成功申請(qǐng)了大約500項(xiàng)專利和專利申請(qǐng)。我們歡迎新興移動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，但我們希望所有公司尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)，當(dāng)這些權(quán)利受到侵犯時(shí)，我們將采取行動(dòng)?！?/p>
我們分別對(duì)這7項(xiàng)專利技術(shù)進(jìn)行拆解，從中可以看到波士頓動(dòng)力在解決機(jī)器人最具挑戰(zhàn)性問(wèn)題、推進(jìn)先進(jìn)技術(shù)研究方面的領(lǐng)先性。
01 648、791專利：掌握“自主權(quán)”機(jī)器人摔倒后能自我糾正
其中648、791專利內(nèi)容都為幫助機(jī)器人保持平衡。
該專利提供了幫助機(jī)器人自動(dòng)扶正的示例系統(tǒng)和方法，可以適用于雙足、四足甚至更多條腿的機(jī)器人。
機(jī)器人可以通過(guò)檢測(cè)其底部與地面的相對(duì)位置，來(lái)確定自己正處于躺臥等不穩(wěn)定狀態(tài)，然后由相應(yīng)計(jì)算裝置發(fā)出讓機(jī)器人執(zhí)行第一動(dòng)作的指令，讓足式機(jī)器人回正。第一動(dòng)作包括判斷足式機(jī)器人的質(zhì)心位置，確定每只腿和腳的位置，并根據(jù)其所處位置轉(zhuǎn)移質(zhì)心位置從而讓足式機(jī)器人重新保持穩(wěn)定。
隨后，該專利的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以判斷第一動(dòng)作后機(jī)器人是否已經(jīng)返回穩(wěn)定狀態(tài)，如若不然，其就是發(fā)出執(zhí)行第二動(dòng)作的指令，包括讓機(jī)器人的腿遠(yuǎn)離其本體，增加設(shè)備的重力勢(shì)能來(lái)幫助平衡。
機(jī)器人會(huì)持續(xù)執(zhí)行自我糾正動(dòng)作，直到確定它不再處于不穩(wěn)定位置為止。
02 869專利：轉(zhuǎn)移重心、扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順利爬上爬下樓梯
機(jī)器人在一些隨機(jī)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能會(huì)需要遇到需要精準(zhǔn)判斷腿部、腳部位置的情形。如果某一個(gè)部位執(zhí)行過(guò)程中的環(huán)節(jié)有誤差，機(jī)器人就會(huì)摔倒。因此，如何在爬樓梯等環(huán)境中協(xié)調(diào)自身相應(yīng)部位的動(dòng)作對(duì)于機(jī)器人而言十分重要。
該專利可以讓機(jī)器人識(shí)別樓梯區(qū)域并做出響應(yīng)。機(jī)器人的構(gòu)成包括身體、左前腿、右前腿、左后腿和右后腿，每條腿又包括大腿和小腿部分，膝關(guān)節(jié)將大腿和小腿連接起來(lái)。
當(dāng)機(jī)器人接收到其正面臨一個(gè)或多個(gè)樓梯的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，上述這些部位都將參與到爬樓梯中來(lái)。
爬樓梯之前，該裝置會(huì)讓機(jī)器人的重心分布移向靠前位置，也就是左前腿和右前腿之一為主要支撐腿。爬樓梯時(shí)，機(jī)器人當(dāng)前支撐腿與樓梯中臺(tái)階接觸時(shí)，將其前支撐腿的膝關(guān)節(jié)朝向機(jī)器人身體，這樣就可以減小支撐角大小，方便機(jī)器人進(jìn)行下一步動(dòng)作。
隨后，機(jī)器人通過(guò)轉(zhuǎn)變大腿和小腿部分的位置，就可以順利爬上、爬下樓梯。
Vision 60在爬樓梯時(shí)會(huì)改變支撐角大小
03 588專利：腳底打滑時(shí)迅速站穩(wěn)地面反作用力校正誤差
該專利主要應(yīng)用于檢測(cè)對(duì)機(jī)器人步態(tài)的干擾，讓處于崎嶇或不平坦地形的足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加高效。其中，涉及檢測(cè)機(jī)器人腳打滑、處理響應(yīng)打滑和控制機(jī)器人的步態(tài)。
機(jī)器人的步態(tài)一般包括擺動(dòng)狀態(tài)和踏步狀態(tài)，擺動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵點(diǎn)包括機(jī)器人腳的目標(biāo)擺動(dòng)軌跡，其中最為關(guān)鍵的是軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。機(jī)器人在檢測(cè)到有相應(yīng)干擾后，就會(huì)在腳步到達(dá)目標(biāo)擺動(dòng)軌跡終點(diǎn)之前，使足部從擺動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入踏步狀態(tài)。
此外，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到其步態(tài)中的意外橫向加速度，就可以通過(guò)控制腿的動(dòng)作和位置控制其施加在地面上的力，在保持平衡的同時(shí)以所需的步態(tài)移動(dòng)。
四足機(jī)器人腳接觸地面時(shí)的力
其中，機(jī)器人可以確定其腿的位置和負(fù)載，讓地面反作用力作用在機(jī)器人上以對(duì)抗和校正速度誤差。
04 842專利：為面前樓梯建模還能回避前方障礙物
該專利用于機(jī)器人感知到前方有樓梯，在靠近樓梯時(shí)，機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)接收到相關(guān)圖像數(shù)據(jù)，再將其傳送至用戶操控的機(jī)器人遙控器界面上，該遙控器可以顯示圖像數(shù)據(jù)和用于激活樓梯模式。
美國(guó)空軍在基地測(cè)試Vision 60時(shí)遙控器界面的“樓梯模式”
當(dāng)機(jī)器人接收到進(jìn)入樓梯模式命令后，會(huì)根據(jù)臺(tái)階的寬度限制其相應(yīng)擺動(dòng)腿行進(jìn)的步幅長(zhǎng)度，使用專用于機(jī)器人爬樓梯的控制器來(lái)控制其腿部騰空和落地的過(guò)程。
該專利還包括與機(jī)器人通信的樓梯建模系統(tǒng)，建模系統(tǒng)可以接收與樓梯相鄰機(jī)器人的傳感器數(shù)據(jù)，找到相應(yīng)階梯的邊緣來(lái)確定臺(tái)階高度。
此外，機(jī)器人可以有效繞開(kāi)前方樓梯上的障礙物。識(shí)別障礙物后會(huì)沿著其回避路徑移動(dòng)，同時(shí)，這一路徑會(huì)保持在機(jī)器人向上或向下樓梯的橫向位置上。
機(jī)器人還可以識(shí)別其將執(zhí)行的動(dòng)作是上樓還是下樓，并基于不同的場(chǎng)景采取相應(yīng)動(dòng)作。
05 855、368專利：減少旋轉(zhuǎn)慣性實(shí)現(xiàn)高峰值轉(zhuǎn)矩
其中855、368專利內(nèi)容都為祖師機(jī)器人的螺旋驅(qū)動(dòng)器。
機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，腿部等多個(gè)構(gòu)件會(huì)通過(guò)液壓或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制，這些驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)也會(huì)決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的效果，例如機(jī)器人接收命令或者遇到外部干擾時(shí)的響應(yīng)速度。其中包括驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和與其耦合的傳動(dòng)裝置齒輪比等。
該專利公開(kāi)的是用于足式機(jī)器人的螺旋驅(qū)動(dòng)器實(shí)施方法，螺旋驅(qū)動(dòng)器位于機(jī)器人腿部上方構(gòu)件內(nèi)，并且具有與螺旋桿同軸安裝的螺母，能使螺旋桿在螺母內(nèi)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)則安裝在機(jī)器人大腿構(gòu)件內(nèi)部，并連接至螺旋桿，然后通過(guò)與大腿和小腿中間位置的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行連接。
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人里，采用螺旋驅(qū)動(dòng)器就可以減少機(jī)器人構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)慣性，以允許其實(shí)現(xiàn)高峰值轉(zhuǎn)矩，讓高性能機(jī)器人產(chǎn)生足夠高的加速度。
06 結(jié)語(yǔ)：機(jī)器人研發(fā)需一步一腳印
如今，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展脈絡(luò)逐漸成熟，雙足、四足等各種形態(tài)的機(jī)器人層出不窮，但即便如此這一產(chǎn)業(yè)還仍然處于發(fā)展初期，在硬件、軟件上仍有多道技術(shù)難題需要破解。
不可否認(rèn)的是，波士頓動(dòng)力一直以來(lái)都是機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)頭羊。1992年，該公司從麻省理工學(xué)院（MIT）分拆出來(lái)，至今已經(jīng)在全球成功申請(qǐng)了大約500項(xiàng)專利。作為技術(shù)的集大成者，與其在資金、時(shí)間、人才上的投入密不可分。
迄今的機(jī)器人研發(fā)，距離我們想象的幫我們做重復(fù)、單調(diào)、危險(xiǎn)的工作還有很久，未來(lái)機(jī)器人發(fā)展仍需在先進(jìn)技術(shù)和研發(fā)上不斷投入。只有將基礎(chǔ)研發(fā)打扎實(shí)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)才能迎來(lái)健康發(fā)展，向人類科技發(fā)展的星辰大海邁進(jìn)。