人形機器人有著與人極為不同的步態。膝蓋彎曲、軀干盡可能不動。甚至波士頓動力公司的Atlas也是用這種蹲著走的方式走動，因為其總是彎著的腿可讓它避免摔倒。這種步態在人形機器人中非常常見，已經成為“正常”的機器人步態，但這并不像人類走路的方式。我們用直腿走路，每邁一步都要鎖住膝蓋，因為這樣更容易支撐我們的體重。你可以自己嘗試一下：像“雙足機器人”那樣用彎曲的膝蓋走路會讓人很累，因為你的腿部肌肉一直都需要參與運動。

在人類與機器認知研究所（IHMC），機器人專家們正在忙著解決這個問題，他們教Atlas更像人一樣走路。除了使人形機器人更有效率之外，更自然的行走步態也能讓它們更加靈活，相比于蹲著走路的機器人能夠應對更加崎嶇的地形。

大多數機器人不會這樣走路，因為彎曲的膝蓋能給它們更多的控制。對于彎曲的膝蓋，你可以更多地彎曲或伸直它，以幫助你的機器人保持穩定，而直腿意味著平衡必須主要用腳踝來實現。你可能會注意到的另一個區別是，彎腿行走的機器人傾向于把腳抬得筆直，然后再放下來，而IHMC則教Atlas像人類一樣使用“腳趾離地”的動作。這樣子走路是一個更難解決的問題，這就是為什么Atlas這樣走路時看著很奇怪 ——除了極少數例外（DURUS就是其中之一），人形機器人不用直腿走路。

為了讓Atlas這樣走路，IHMC開發了一種新的全身控制框架，可以輕推控制器使機器人伸直腿，而不需要腿對地面施加明顯的力。通過讓其他運動（如機器人腳的運動）不受約束，自然的步態行為（比如腳趾離地動作）就會自動出現。換句話說，IHMC沒有必要專門編程，這只是控制器為走路時試圖保持直腿想出的最佳解決方案。毫無疑問，受限制較少的控制器會產生更自然的步態，而在現實世界的測試中，Atlas能夠在各種地形上行走，甚至可以在腿伸直的情況下對略有攻擊性的推動作出反應。

為了了解更多細節，我們通過電子郵件采訪了Robert Griffin，他是發表在澳大利亞布里斯班舉行的2018年機器人與自動化國際會議（ICRA2018）上的論文“Straight-Leg Walking Through Underconstrained Whole-Body Control”的第一作者。該論文的另外幾位作者是Georg Wiedebach、Sylvain Bertrand、Alexander Leonessa和Jerry Pratt，他們都來自IHMC。

IEEE Spectrum：你能否給總結一下為什么大多數兩足機器人都是蹲著走路，而為什么大多數人并不是這樣走路？

Robert Griffin：人類可能會用較直的腿走路，因為彎曲的腿走路效率要低得多。直立時膝蓋幾乎不需要用力，而彎曲的膝蓋需要承受很大的力量。然而，用于機器人的大多數步行模型假定在整個步態中具有恒定的質心高度。它們實現這個恒定高度的唯一方法就是以蹲著的姿態走路。另外，規劃高度軌跡是一個相當具有挑戰性的問題，特別是對于機器人需要實時計算軌跡的在線應用來說更是如此。這導致大多數科學家在開放這樣的在線應用時回避了這個問題。最后，蹲著行走可以讓機器人避免伸直腿，從而避免了遭遇膝關節處的奇點的可能，而這個奇點是很難處理的。

IEEE Spectrum：直腿走路有什么缺點？

Robert Griffin：當用直腿走路時，機器人的控制能力較差。想想運動員：他們以“運動姿態”略微彎曲膝蓋，以便能夠快速改變方向。當你的膝蓋是直的時，你不能用它來向地面施加推力。當膝蓋彎曲時，你可以獲得更大的地面反作用力，從而獲得更大的平衡控制力。此外，直腿對邁步的影響也是不可避免的。這對于機器人來說可能很難處理。

IEEE Spectrum：視頻中Atlas走路的方式與我們看到的DORUS的走路方式類似。你們的研究與他們的工作有什么關系？

Robert Griffin：DURUS表現出的步態非常好，我很高興我們的工作能與之相提并論，因為我們的研究和他們的研究都在努力實現更自然、更像人類的步態。據我所知，他們采取的方法與我們的有很大的不同，他們使用機器人的混合-零動態進行離線優化，以確定關節設置點并生成特定的步態。在我們的方法中，我們沒有直接為機器人定義關節命令，而是在線計算所有內容，包括動態軌跡。

IEEE Spectrum：較少的約束在多大程度上導致了更自然的行走方式的出現？你覺得驚訝嗎？

Robert Griffin：在我們的這項研究工作中，我們并沒有指定一個期望的高度，我們也沒有指定腳趾離地時的腳間距。這使機器人能夠用更直的腿走路。它還允許機器人根據需要使用腳趾離地動作。我覺得首先讓我感到驚訝的是腳趾離地動作。我也對機器人在必要時彎曲膝蓋和降低高度來完成水平任務的能力感到驚訝。在模擬中，我們能夠讓它使用更長的單步（從靜止開始到一步后的靜止結束，大約1.5米），以及能夠讓它使用更長的下降步（大約0.5米）。我們對于在硬件上嘗試這些倍感興奮，但是還沒有機會去做這樣的嘗試。

IEEE Spectrum：當你們說你們想讓機器人“像人類一樣穿越類似的地形”時，你能描述一下你們正在考慮什么樣的具體能力嗎？

Robert Griffin：長期愿景是使機器人能夠具有像人類一樣的移動能力，從而它們可以作為真正的人類化身。我們接下來想用這種算法嘗試的是更大的下降步，特別是機器人不知道它需要向下邁步的不確定情況下。人類真的很擅長這一點，我們的步態天生就能抵御不確定性。我們現在正在嘗試設計方法，使用單一算法讓它既能在準確的位置落腳（比如在一個只有少量、稀疏的落腳點的巖石區域行走時），又能在精準失效時保持穩健（例如在具有許多微妙高度的地形上行走時）。目前我們所擁有的技術具有非常好的準確性，而像ATRIAS這樣的機器人對不確定性表現出了令人印象深刻的穩健性。再思考思考，借助一些技巧，我們可以將這種穩健性與準確性結合起來，制作出真正有能力的機器人。