在硬件技術(shù)的迅猛推動(dòng)下，四足機(jī)器人在動(dòng)力與速度領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)步。尤其是強(qiáng)化學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，極大地增強(qiáng)了這些機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的移動(dòng)控制穩(wěn)定性。這一進(jìn)展使得四足機(jī)器人在物資運(yùn)輸、環(huán)境探索等自動(dòng)化任務(wù)中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

然而，面對(duì)地形復(fù)雜、地勢(shì)起伏劇烈的環(huán)境，四足機(jī)器人往往需要具備垂直移動(dòng)的能力。例如，在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)或未開發(fā)的自然環(huán)境中，倒塌的建筑物和巖石構(gòu)成了高度變化極大的障礙。遺憾的是，現(xiàn)有的四足機(jī)器人大多擅長水平移動(dòng)，而專為垂直移動(dòng)設(shè)計(jì)的機(jī)器人則因結(jié)構(gòu)過于特殊，在水平移動(dòng)時(shí)顯得笨拙。因此，能夠穩(wěn)定完成這類動(dòng)作的機(jī)器人及其控制方法仍處于發(fā)展階段。

近日，東京大學(xué)的Keita Yoneda研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一款名為KLEIYN的四足機(jī)器人，該機(jī)器人在垂直攀爬方面取得了突破性進(jìn)展。KLEIYN的核心亮點(diǎn)在于其配備的主動(dòng)腰部關(guān)節(jié)，這一設(shè)計(jì)顯著提升了機(jī)器人在狹窄墻壁上的跟蹤能力和攀爬性能。通過創(chuàng)新的課程學(xué)習(xí)（Contact-Guided Curriculum Learning）方法，研究團(tuán)隊(duì)引導(dǎo)機(jī)器人逐步掌握了攀爬技巧，實(shí)現(xiàn)了水平移動(dòng)與垂直攀爬的完美結(jié)合。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，KLEIYN能夠成功攀爬寬度在800毫米至1000毫米之間的墻壁，并以平均150毫米/秒的速度進(jìn)行。與傳統(tǒng)同類機(jī)器人相比，KLEIYN的速度提升了近50倍，這一突破無疑為四足機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用開辟了新道路。

KLEIYN之所以能夠?qū)崿F(xiàn)既能在平地穩(wěn)健行走，又能在高墻靈活攀爬，關(guān)鍵在于其腰部關(guān)節(jié)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。這款機(jī)器人體重18千克，體長760毫米，站立高度400毫米，緊湊的體型為其在狹窄空間內(nèi)的靈活活動(dòng)提供了基礎(chǔ)。全身共有13個(gè)自由度（DOF），每條腿3個(gè)自由度，軀干部分1個(gè)自由度，使其既能完成基礎(chǔ)動(dòng)作，又能適應(yīng)復(fù)雜地形。

在腿部結(jié)構(gòu)上，KLEIYN借鑒了開源金屬四足機(jī)器人MEVIUS的優(yōu)勢(shì)，每條腿包含肩胛骨連桿、大腿連桿和小腿連桿三個(gè)部分，通過關(guān)節(jié)連接。所有腿部關(guān)節(jié)均由減速比為1:10的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大扭矩可達(dá)25牛米，為行走和攀爬提供了充足動(dòng)力。軀干部分則包括前體連桿和后體連桿，兩者結(jié)構(gòu)相同，內(nèi)部容納了車載電腦、電池等核心部件。連接這兩部分的腰部關(guān)節(jié)可沿俯仰軸旋轉(zhuǎn)，使軀干實(shí)現(xiàn)彎曲動(dòng)作，為機(jī)器人在狹窄墻壁間的攀爬提供了關(guān)鍵靈活性。

KLEIYN的腰部關(guān)節(jié)采用單自由度旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，框架由精密加工的鋁材制成，并通過預(yù)仿真應(yīng)力分析驗(yàn)證了強(qiáng)度。為增強(qiáng)剛性，關(guān)節(jié)采用雙支撐結(jié)構(gòu)，在電機(jī)輸出軸的對(duì)側(cè)設(shè)置軸承分擔(dān)負(fù)載。電機(jī)輸出通過1:9的低減速比齒輪以準(zhǔn)直接驅(qū)動(dòng)方式傳遞到旋轉(zhuǎn)軸，保證了動(dòng)力傳輸?shù)母咝裕檎n程學(xué)習(xí)中的“仿真到現(xiàn)實(shí)”遷移提供了便利。為滿足攀爬場(chǎng)景中承受左右腿合力的需求，腰部關(guān)節(jié)還配備了最大扭矩48牛米的電機(jī)，確保在負(fù)載集中時(shí)也能穩(wěn)定支撐機(jī)身完成動(dòng)作。

依托創(chuàng)新的課程學(xué)習(xí)控制策略，KLEIYN從零基礎(chǔ)逐步掌握了高難度的攀爬技能，并能靈活應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的挑戰(zhàn)。其核心采用“Actor-Critic”架構(gòu)，訓(xùn)練時(shí)執(zhí)行者輸出動(dòng)作，評(píng)估者評(píng)估動(dòng)作優(yōu)劣并優(yōu)化策略；實(shí)際作業(yè)時(shí)僅啟動(dòng)執(zhí)行者，以50Hz頻率精準(zhǔn)控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。配合傳感器系統(tǒng)，機(jī)器人能實(shí)時(shí)感知關(guān)節(jié)狀態(tài)、自身姿態(tài)，并接收指令，為學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)垂直攀爬的特性，提出了接觸引導(dǎo)課程學(xué)習(xí)方法，讓機(jī)器人在墻與地面的弧形連接處學(xué)習(xí)支撐發(fā)力，再逐步過渡到垂直墻壁。同時(shí)，在模擬器中設(shè)置多樣場(chǎng)景，增強(qiáng)機(jī)器人的適應(yīng)力。在學(xué)習(xí)過程中，非對(duì)稱策略優(yōu)化了訓(xùn)練效率，評(píng)估者同步掌握更多隱藏參數(shù)，更精準(zhǔn)地評(píng)判動(dòng)作合理性。精細(xì)化的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制則引導(dǎo)機(jī)器人在試錯(cuò)中掌握省力穩(wěn)定的攀爬技巧。

在模擬環(huán)境中，KLEIYN憑借課程學(xué)習(xí)掌握了高效攀爬策略，成功攀爬未經(jīng)過訓(xùn)練的窄墻，證明了課程學(xué)習(xí)的泛化能力。接觸引導(dǎo)課程學(xué)習(xí)的有效性也得到了驗(yàn)證，通過循序漸進(jìn)的課程設(shè)計(jì)提升了學(xué)習(xí)效率。算法與機(jī)械結(jié)構(gòu)的協(xié)同讓攀爬效率倍增，有腰關(guān)節(jié)的機(jī)器人在窄墻上的表現(xiàn)更好，擺動(dòng)階段的反沖速度更顯著。

在真實(shí)世界中，KLEIYN展現(xiàn)了卓越的攀爬能力，在800毫米、900毫米、1000毫米寬的墻壁上穩(wěn)定攀爬，速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)機(jī)器人。面對(duì)干擾，它能快速調(diào)整姿態(tài)重新穩(wěn)定，展現(xiàn)出抗干擾能力。同時(shí)，它在臺(tái)階上下行走及不平坦石面的打滑恢復(fù)，證明了課程學(xué)習(xí)策略可有效遷移到真實(shí)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了攀爬與行走的雙模式整合。