隨著科技的快速發(fā)展，人類正在被先進的機器所替代，就像最近網(wǎng)站上發(fā)布的視頻那樣，視頻中，十只spotmini依次排列，整齊劃一的步伐開始了“狗生”的纖夫生活。看著他們一步一步拉動卡車前進，令人十分驚嘆！那么波士頓動力公司到底是一家什么樣的公司呢？該公司主要做哪些產(chǎn)品呢？帶著這些疑問，讓我們一起來了解下這家公司吧。

波士頓動力公司（英語：Boston Dynamics）是一家美國的工程與機器人設計公司，此公司的著名產(chǎn)品包含在國防高等研究計劃署（DARPA）出資下替美國軍方開發(fā)的四足機器人：波士頓機械狗，以及DI-Guy，一套用于寫實人類模擬的現(xiàn)成軟件（COTS）。此公司早期曾和美國系統(tǒng)公司一同接受來自美國海軍航空作戰(zhàn)中心訓練處（NAWCTSD）的一份合約，該合約的內(nèi)容是要以DI-Guy人物的互動式3D電腦模擬，取代海軍飛機彈射任務訓練影片。

該公司由Marc Raibert和其合伙人一起創(chuàng)辦。Marc Raibert是著名的機器人學家。其28歲畢業(yè)于MIT，隨后在CMU擔任過副教授，并且在那里建立了CMUleg實驗室研究與機器人有關的控制和視覺處理相關的技術(shù)。在37歲時回到MIT的繼續(xù)從事機器人相關的科研和教學工作。在1992年，其與合伙人一起創(chuàng)辦了Boston Dynamics這家公司，開啟了機器人研究的新紀元。

在2013年12月13日，波士頓動力公司被Google收購。2017年6月9日軟銀以不公開的條款收購谷歌母公司Alphabet旗下的波士頓動力公司。我們一起來回顧一下波士頓動力的機器人項目吧。

據(jù)筆者所知，波士頓動力旗下有不少產(chǎn)品線，包括 4 足的 Spot、SpotMini機器人、Atlas 雙足機器人、在倉庫搬貨的 Handle 兩輪機器人，其他還有 4 輪機器人 SandFlea、機器手臂 Pick 等。以下是幾款機器人的例子。

BigDog

波士頓機械狗（Boston Dynamics BigDog）是一種動力平衡四足機器人，由波士頓動力公司、福斯特-米勒公司、噴氣推進實驗室，以及哈福大學康德菲爾德研究站共同于2005年研發(fā)。

該項目是由美國國防高等研究計劃署出資資助。希望研制一種能夠負重的機械騾，能夠和士兵一起在傳統(tǒng)機械車輛無法行駛的粗糙地形上作戰(zhàn)。

它沒有車輪或者履帶，而是采用四條機械腿來運動。機械腿上面有各種傳感器，包括關節(jié)位置和接觸地面的部位。它還有一個激光回轉(zhuǎn)儀，以及一套立體視覺系統(tǒng)。

機械狗有一米長，0.7米高，75千克重，幾乎相當于一頭小騾子的體積。目前能夠以每小時5.3公里的速度穿越粗糙地形，并且負載154千克的重量。它能夠爬行35度的斜坡。

其運動是由裝載在機身上的計算機控制的。這臺計算機能夠接收機器上各種傳感器傳達的信號。導航和平衡也由這個控制系統(tǒng)控制。

2008年3月18日，波士頓動力公司釋放了一段關于新一代的機械狗的錄像，在這個錄像當中，機械狗能夠穿越結(jié)冰地面，并且能夠在被側(cè)踹之后恢復平衡。

Atlas

Atlas機器人（英語：Atlas（robot））是一個雙足人形機器人，由美國波士頓動力公司為主開發(fā)，和由美國國防部國防高等研究計劃署（DARPA）的資助和監(jiān)督。這個身高6-英尺（1.8-米） 的機器人是專為各種搜索及拯救任務而設計，并在2013年7月11日向公眾亮相。

新版本Atlas機器人

新版本Atlas機器人

2016年2月23日，波士頓動力公司在YouTube上發(fā)布了一個新版本Atlas機器人的視頻。 新版本的Atlas設計用于在戶外和建筑物內(nèi)部操作。 它專門用于移動操縱，非常擅長在廣泛的地形上行走，包括雪地。 它是電動和液壓驅(qū)動。它使用身體和腿部的傳感器進行平衡，并在其頭部使用光學雷達和立體傳感器，以避免障礙物，評估地形，幫助導航和操縱對象，即使對象被移動。 這個版本的Atlas機器人是大約175cm（5英尺9英寸）高（大約比DRC Atlas矮一個頭），重量為180磅（82千克）。

經(jīng)過一年年的技術(shù)迭代，波士頓動力的四足機器人不在僅僅是應對軍方的大狗機器人，而越來越變得小巧靈活，適應力極強。

為了探索其背后的技術(shù)路線，我們對波士頓動力申請的專利進行了檢索分析：

波士頓專利布局情況

對小波的主要申請人BostonDynamics進行檢索，檢索截止日期為2019年1月，其中涉及機器人的專利文獻共有72篇，對其進行簡單統(tǒng)計，可以得到如下結(jié)果：

波士頓動力的專利申請態(tài)勢圖

可以看出：從2001~2011年，波士頓共申請了4件有關足式機器人的專利，這十年是足式機器人技術(shù)的探索階段，即專利布局的早期階段；從2014年開始，波士頓動力在足式機器人的不同技術(shù)維度開始進行專利布局，直至2017年都保持了較高的申請量，這期間不斷推出了足式機器人的改進版，于2016-2017年推出的SpotMini是更新?lián)Q代的產(chǎn)品（爬樓梯的SpotMini），為其商業(yè)化應用奠定了基礎。

如下圖所示，通過對上述72篇專利進行分類標引，波士頓動力四足機器人的技術(shù)領域主要涉及液壓驅(qū)動和電液混合驅(qū)動，上述技術(shù)保證了機器人具有較強的運動能力，而步態(tài)規(guī)劃、平衡控制、復雜地形動態(tài)規(guī)劃以及自我回正屬于機器人的運動控制，同時也是波士頓的核心技術(shù)，上述技術(shù)使機器人更好的適應環(huán)境，維持動態(tài)平衡，實現(xiàn)智能移動。

波士頓動力的專利技術(shù)分布圖

下圖為波士頓動力足式機器人專利技術(shù)路線圖。

波士頓四足機器人技術(shù)路線圖

1、波士頓動力早期專利

通過分析波士頓動力的專利申請趨勢可發(fā)現(xiàn)，波士頓動力雖然成立于1992年，然而早期的專利申請多是關于離合器、軸承、醫(yī)療器械等，直至2001年9月21日才與SONY公司聯(lián)合申請一種仿生寵物狗機器人專利（US6484068B1），該專利主要解決的是寵物狗機器人的跳躍控制。

專利中將跳躍劃分為兩個控制階段，第一階段控制機器人的四個腳同時跳離地面，第二階段控制前腿先落地后腿后落地，通過改變腿的落地角度和延遲角度實現(xiàn)落地。

而在2004年6月9日波士頓動力獨立申請了一份可以行走或爬行的多足機器人的專利US20050275367A1，設置在機身上的12個電機通過錐齒輪機構(gòu)驅(qū)動六個腿的運動，如下圖所示。通過這種錐齒輪機構(gòu)還可實現(xiàn)機器人身體高度的調(diào)整。

經(jīng)過了前期在多足機器人領域的探索，波士頓動力在多足機器人的發(fā)展上持續(xù)改進，并將其成果進行專利布局。

2、四足機器人動力系統(tǒng)分析

動力問題是機器人的核心問題，關系著機器人能否動起來，工作時間的長短。波士頓動力早期的機器人主要是電機通過齒輪驅(qū)動連桿機構(gòu)，對于沒有載荷要求的機器人而言是足夠的，對如Bigdog這類以內(nèi)燃機為動力且需搭載較大負荷的機器人則顯得力不從心，為此，波士頓動力在液壓驅(qū)動方面布局了較多專利，如下圖的液壓控制技術(shù)發(fā)展路線。

波士頓動力液壓控制發(fā)展路線圖

BigDog系統(tǒng)能耗高的問題突出，能量的多次轉(zhuǎn)換、多環(huán)節(jié)傳遞造成了大能量損失，如下圖所示為足式機器人在前行中理想的足部軌跡，腿部的運動是通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)，在理想軌跡下機器人可降低液壓驅(qū)動能耗。

足式機器人在不同場合需要不同的功率供給，具有不同功率模式切換是降低功耗的重要手段，為此，波士頓動力在2008年10月14日提交的專利US20100090638A1中通過傳感器檢測力，控制器控制閥適時進行開關動作，實現(xiàn)按需高功率或者低功率模式。在此基礎上，波士頓動力在2011年5月18日提交的專利申請US20120291873A1中公開了一種具有高壓油路，中壓油路和低壓返回油路的液壓系統(tǒng)。

為了提高機器人運行的效率、減小功率消耗以及提高運動的穩(wěn)健性，波士頓動力在2014年8月1日提交的專利US20160023647A1中通過判斷關節(jié)承受的載荷類型和大小，以選擇適當?shù)囊簤夯螂妱又聞悠鳎沟脵C器人的功率消耗最低。如下圖所示，機器人根據(jù)不同的負載選擇不同的驅(qū)動方式組合。

比外，波士頓動力還在提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定供壓、通過不同壓力組合、分階段供壓、提高液壓部件損壞工作壽命、提高閥的響應速度等方面均進行了專利布局。以上這些專利中的技術(shù)均用于保證液壓系統(tǒng)高效和可靠工作。

3、四足機器人步態(tài)分析

在解決了動力方面的問題后，還需解決機器人如何動的問題。四足機器人在行進時不同的時間段需要不同的行進速度，而不同的行進速度對應不同的步態(tài)，四足機器人的步態(tài)包括Walk（慢走）、Trot（小跑）、Bounding（跳躍）、Gallop（飛奔）。

通過檢索，波士頓動力在步態(tài)轉(zhuǎn)換方面先后申請了6件專利，其技術(shù)發(fā)展主要涉及如何實現(xiàn)不同步態(tài)、制定步態(tài)轉(zhuǎn)換準則、制定步態(tài)列表等。

波士頓動力在2014年12月17日申請且已授權(quán)的專利US9395726B1中公開了機器人通過控制俯仰角、高度、速度以及其產(chǎn)生的力實現(xiàn)不同的步態(tài)。

本月的7號，波士頓動力進行了一筆收購交易，這也是該公司歷史上的第一筆收購交易。它收購了總部位于加州門洛帕克（Menlo Park）的 Systems，該公司利用視覺傳感器和深度學習軟件幫助機器人操縱箱子。此次收購沒有披露財務細節(jié)。目前該公司已將其技術(shù)運用在Handle機器人上，波士頓動力未來也會希望銷售這個產(chǎn)品。

仿生機器人的難點就在于運動穩(wěn)定性的控制，但是這個難點在波士頓這里反倒成了他們最為突出的優(yōu)勢，反觀國內(nèi)，在這個領域與波士頓動力的差距可不是一星半點。要趕上波士頓動力的步伐，還需要走很長的路。也期待國內(nèi)的科研工作者們?yōu)槲覀儙砀鼮閯?chuàng)新的技術(shù)！