硬核干货！揭秘波士顿动力背后的专利技术

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　　来源：机器人大讲堂
　　作者：超凡知识产权
　　编辑整理：元子
　　【新智元导读】本文从波士顿动力背后申请的专利入手，从动力系统、步态分析，详细探讨了波士顿动力机器人背后的技术实现。
　　波士顿动力四足机器人的发展历程（前世今身）
　　相比于轮式或履带机器人，波士顿足式机器人具有更强的地形适应能力，身体十分灵活，可以在各种崎岖不平的地面行走。
　　奔跑性能极强的Wildcat
　　平衡力极强的Spot
　　不惧摔倒的SpotMini
　　欢乐起舞的新版SpotMini
　　经过一年年的技术迭代，波士顿动力的四足机器人不再仅仅是应对军方的大狗机器人，而越来越变得小巧灵活，适应力极强。
　　为了探索其背后的技术路线，我们对波士顿动力申请的专利进行了检索分析：
　　波士顿专利布局
　　对主要申请人BostonDynamics进行检索，检索截止日期为2019年1月，其中涉及机器人的专利文献共有72篇，对其进行简单统计，可以得到如下结果：
　　波士顿动力的专利申请态势图
　　可以看出：从20012011年，波士顿动力共申请了4件有关足式机器人的专利，这十年是足式机器人技术的探索阶段，即专利布局的早期阶段；从2014年开始，波士顿动力在足式机器人的不同技术维度开始进行专利布局；直至2017年都保持了较高的申请量，这期间不断推出了足式机器人的改进版，于20162017年推出的SpotMini是更新换代的产品（爬楼梯的SpotMini），为其商业化应用奠定了基础。
　　如下图所示，通过对上述72篇专利进行分类标引，波士顿动力四足机器人的技术领域主要涉及液压驱动和电液混合驱动，上述技术保证了机器人具有较强的运动能力。而步态规划、平衡控制、复杂地形动态规划以及自我回正属于机器人的运动控制，同时也是波士顿的核心技术，上述技术使机器人更好的适应环境，维持动态平衡，实现智能移动。
　　波士顿动力的专利技术分布图
　　下图为波士顿动力足式机器人专利技术路线图。
　　波士顿四足机器人技术路线图
　　1、波士顿动力早期专利
　　通过分析波士顿动力的专利申请趋势可发现，波士顿动力虽然成立于1992年，然而早期的专利申请多是关于离合器、轴承、医疗器械等，直至2001年9月21日才与SONY公司联合申请一种仿生宠物狗机器人专利（US6484068B1），该专利主要解决的是宠物狗机器人的跳跃控制，如下图。
　　US6484068B1附图
　　专利中将跳跃划分为两个控制阶段，第一阶段控制机器人的四个脚同时跳离地面，第二阶段控制前腿先落地后腿后落地，通过改变腿的落地角度和延迟角度实现落地。
　　而在2004年6月9日波士顿动力独立申请了一份可以行走或爬行的多足机器人的专利US20050275367A1，设置在机身上的12个电机通过锥齿轮机构驱动六个腿的运动，如下图所示。通过这种锥齿轮机构还可实现机器人身体高度的调整。
　　US20050275367A1附图
　　US20050275367A1附图
　　经过了前期在多足机器人领域的探索，波士顿动力在多足机器人的发展上持续改进，并将其成果进行专利布局。
　　2、四足机器人动力系统分析
　　动力问题是机器人的核心问题，关系着机器人能否动起来，工作时间的长短。波士顿动力早期的机器人主要是电机通过齿轮驱动连杆机构，对于没有载荷要求的机器人而言是足够的，对如Bigdog这类以内燃机为动力且需搭载较大负荷的机器人则显得力不从心，为此，波士顿动力在液压驱动方面布局了较多专利，如下图的液压控制技术发展路线。
　　波士顿动力液压控制发展路线图
　　BigDog系统能耗高的问题突出，能量的多次转换、多环节传递造成了大能量损失，如下图所示为足式机器人在前行中理想的足部轨迹，腿部的运动是通过液压系统实现，在理想轨迹下机器人可降低液压驱动能耗。
　　足部理想轨迹图
　　足式机器人在不同场合需要不同的功率供给，具有不同功率模式切换是降低功耗的重要手段，为此，波士顿动力在2008年10月14日提交的专利US20100090638A1中通过传感器检测力，控制器控制阀适时进行开关动作，实现按需高功率或者低功率模式。
　　在此基础上，波士顿动力在2011年5月18日提交的专利申请US20120291873A1中公开了一种具有高压油路，中压油路和低压返回油路的液压系统，如下图所示。
　　US20120291873A1附图
　　为了提高机器人运行的效率、减小功率消耗以及提高运动的稳健性，波士顿动力在2014年8月1日提交的专利US20160023647A1中通过判断关节承受的载荷类型和大小，以选择适当的液压或电动致动器，使得机器人的功率消耗最低。如下图所示，机器人根据不同的负载选择不同的驱动方式组合。
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