對于少數已經研發出四足機器人的中國院校和科研機構來說，能實現行走，小幅度的奔跑已經是極大的突破了，上文講到了三項底層技術讓四足機器人的在外力作用下保持平衡，本文則要介紹四足機器人如何實現跳躍式跨過障礙。

目前世界上最迅捷的四足機器人當屬“獵豹”機器人，而美國的波士頓動力和MIT Biomimetics Robotcs Lab都是其中的佼佼者。MIT的研究人員甚至專門開發出了一套跳躍算法，并將它用在了機器豹身上。

據了解，這臺機器豹擁有四肢，配置了齒輪，電池，電動馬達，與動物獵豹的重量也差不多。研究團隊對機器豹進行了測試，它能穩定地在草地上跳躍前進，最高時速能夠達到10英里，能夠跳躍超過一英尺（30cm）的障礙物。據預計，機器豹的最高時速能達到30英里。

問題是：MIT獵豹機器人的算法有多復雜？為什么國內不能研發出這種機器人？

北京理工大學四足機器人博士何玉東認為：MIT Cheetah（獵豹）的成功關鍵不在算法上，而是其機械結構和執行控制設計。

MIT Biomimetics Robotcs Lab 副教授Sangbae Kim團隊設計和制作的電驅動四足機器人，其基本思想是模仿真實的獵豹，實現高速奔跑，因此該團隊目前的工作主要在如何提高MIT Cheetah的奔跑速度上。

MIT Cheetah四個主要設計理念都是為提高該機器人的奔跑速度以及奔跑時間（能量效率）服務的。為實現快速奔跑并提高能量利用效率，MIT Cheetah的設計者主要做了三方面的重要工作：1）機械結構設計；2）執行機構設計）；3）控制器設計。

就目前的情況來看，機械結構以及執行機構的設計應該說是該機器人能夠成功的關鍵，但是在機械結構與執行機構定型后，控制器的設計將會越來越重要。

1）機械結構設計

MIT Cheetah的機械結構是從動物中獲得的靈感。 Kim在CMU的一次講座中提到他在一個視頻中看到一只細腿的鹿在歡快的跳躍，他就在想一只鹿那么細的腿能承受那么重的身體重量進行跳躍且腿不會折斷，那為何我們設計的機器人雖然采用強度比骨頭大很多倍的鋁合金、鋼、甚至碳纖維等材料卻反而不能承受大負載實現跳躍呢？于是經過其對很多生物足部的研究，發現很多的前足都采用肌腱加腕骨的模式，如下圖：

獵豹機器人的足部設計圖示

于是他認為，肌腱結構能夠減小沖擊力，相當于增加了腿部的強度。他通過有限元分析驗證了自己的結論，于是設計了類似的肌腱結構足部，并在兩個肌腱之間加入了彈簧以增加一定的柔順性：

獵豹機器人足端結構

獵豹機器人設計的初衷是是實現快速奔跑，而奔跑由腿的快速擺動實現。為提高擺動速度，需要盡量減小腿部的慣量，因此，Kim將腿部主要的慣量來源——執行機構（電機）全部統一放置于髖關節處，并設計了低質量腿部關節，采用類似肌腱的桿來傳遞能量，帶動膝關節和髖關節。經過該設計，單腿的重心被控制在了執行機構所在圓以內，極大的降低了腿擺動時的慣性，重心位置如下圖CoM所示：

這種設計極大降低了腿擺動時的重心

這樣做的好處是什么呢？節能。飛馳步態時兩條前腿同時觸地和離地，在奔跑過程中，前腿會有一個從向后擺動然后減速然后加速向前擺動的過程，這時，脊椎的參與使得原本在前腿后擺減速過程中損失的能量存儲在了脊椎的彈性勢能里面，在前腿向前擺動時再釋放出來轉化為前腿的動能，實現了能量的回收利用。

前后雙腳并行的結構設計

最后，MIT Cheetah其實還設計了尾部結構，其靈感來自于獵豹追逐獵物時，在變換方向過程中，尾巴在保持獵豹奔跑穩定性方面起到的至關重要的作用，如下圖：

尾部的設計借鑒了獵豹捕獵時保持平衡的原理

MIT Cheetah團隊也做了相關的實驗，證明加入尾巴對側向沖擊具有抵抗作用，能夠增強其側向穩定性。如下圖所示，在側向用球擊打MIT Cheetah時，其尾巴擺動提高了側向穩定性。其實擺尾巴的原理很簡單，就是角動量守恒。

尾部設計平衡性實驗

2）執行機構設計

以上講了其機械結構的特點，機械結構的優異性決定了其擁有高速奔跑的潛力，而執行機構的能力才是真正實現高速奔跑的大殺器。這里列出其單電機的基本參數： 第一版本的Cheetah使用的是商業級電機Emoteq HT-5001，

參數為： 重量：1.3Kg 最大扭矩：10Nm

而該電機不符合他們的峰值扭矩要求，于是他們自己隨意設計了一個。他們自己設計的電機參數為：

重量：1.067Kg 最大扭矩：30Nm

僅從這一點就看出歪果仁的機械設計能力了，為啥他們隨意設計了一個就比商用級的電機強這么多？！！真的是隨意設計的么？

第二版Cheetah用的就是這個電機了。 其執行器部分的結構如下圖所示，一個模塊內包含了單腿所需要的兩個電機轉子和定子以及減速齒輪，還包含了必要的光電編碼器。每條腿需要一個這樣的模塊。

獵豹機器人專用電機結構

3）控制器設計

最后說說控制器設計。這方面從其發表的論文來看其實沒有什么新穎的東西，跟BigDog的方法也差不多，甚至還更簡單。因為目前其主要關注奔跑速度，對地形的適應能力還沒有做過多的擴充，也就在第二版視頻展現了其越障能力，而越障能力其實已經在第一版就實現了。本來就是研究的galloping飛馳步態，因此實現跳躍并不難。第二版也就是加入了一個激光測距傳感器，檢測前方的障礙物高度，然后實施跳躍動作。如下圖：

加入激光測距感應器后能跨越前方障礙物

當然，要想實現跳躍也不是很簡單，需要計算起跳地點，落地地點以及達到落地地點所需要的力，還包括步態的設計，但是這樣的功能波士頓動力的BigDog已經實現了，所以也就不算新穎了。

其他一些比較重要的內容也順便提一下，一是trot到galloping步態的切換，采用的是CPG。為提高奔跑穩定性，采用了swing leg retracting（擺動腿回縮）技術。為實現觸地柔順性，采用了阻抗控制技術。

總結：

從以上三點，可以得出：有時候不一定要有多么深奧的算法，但是，一定要有一個好的平臺，好的機械結構。中國想要做出一臺高水平的四足機器人，機械結構設計的功課需要補上。另外，補問一句：中國的院校和科研機構能獨立設計一臺專用的電機嗎？