目錄

1.機(jī)械設(shè)計與動力學(xué)原理?

2.傳感器融合與狀態(tài)估計?

3.運(yùn)動規(guī)劃與控制?

4.強(qiáng)化學(xué)習(xí)與自主導(dǎo)航?

5.波士頓動力人形機(jī)器人核心技術(shù)

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與機(jī)械原理

5.2 動力學(xué)與平衡控制

5.3 傳感器與感知技術(shù)

5.4 控制算法與運(yùn)動規(guī)劃

5.5 自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃

5.6 人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)

5.7 電池與能源管理

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? ? ? ?過去幾年，Atlas 人形機(jī)器人的動態(tài)跑酷能力已經(jīng)讓全世界的關(guān)注，后來我們還看到 Atlas 在模擬建筑工地上搬搬扛扛。Atlas 目前仍然是一個開發(fā)平臺，尚不能在現(xiàn)實世界中工作，一部分原因是它的液壓驅(qū)動設(shè)計。波士頓動力最新人形機(jī)器人Atlas，其核心技術(shù)涵蓋了機(jī)械設(shè)計、控制理論、傳感器融合、機(jī)器學(xué)習(xí)等多個領(lǐng)域。

? ? ? ?Atlas的設(shè)計和運(yùn)行原理主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

? ? ? ? Atlas機(jī)器人具有仿生人體結(jié)構(gòu)，包含多自由度關(guān)節(jié)，可以實現(xiàn)類似人的行走、跑步、跳躍甚至攀爬等復(fù)雜動作。其運(yùn)動的動力學(xué)模型可以用拉格朗日力學(xué)描述，其中涉及的公式包括拉格朗日函數(shù)：

其中，q?是廣義坐標(biāo)（如關(guān)節(jié)角度），q˙??是廣義速度，T?是動能，V?是勢能。通過求解拉格朗日方程，可以得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的需求。

? ? ? ?Atlas機(jī)器人搭載了一系列傳感器，如慣性測量單元（IMU）、激光雷達(dá)（LiDAR）、立體相機(jī)等，通過卡爾曼濾波等算法進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)融合，實時估計機(jī)器人的姿態(tài)、速度和位置：

? ? ? ?這里的x^是系統(tǒng)狀態(tài)的估計，A和B是系統(tǒng)動態(tài)矩陣，u是控制輸入，w是過程噪聲，z是觀測值，H是觀測矩陣，v是觀測噪聲。

? ? ? ? Atlas機(jī)器人采用最優(yōu)控制或模型預(yù)測控制（MPC）進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，目標(biāo)是優(yōu)化機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度、速度或力矩，使之能按照預(yù)定軌跡運(yùn)動，并考慮物理約束和動態(tài)穩(wěn)定性。例如，在模型預(yù)測控制中，可以構(gòu)建一個優(yōu)化問題：

其中，J是代價函數(shù)，l是階段成本，f是系統(tǒng)動態(tài)函數(shù)，u是控制序列，x是狀態(tài)序列。

? ? ? ?Atlas機(jī)器人通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法進(jìn)行動作學(xué)習(xí)和策略優(yōu)化，學(xué)習(xí)目標(biāo)可以表達(dá)為馬爾科夫決策過程（MDP）的貝爾曼期望方程：

? ? ? 其中，V?(s)是狀態(tài)s下的最優(yōu)價值函數(shù)，R(s,a)是狀態(tài)s執(zhí)行動作a后獲得的即時獎勵，P(s′∣s,a)是從狀態(tài)s執(zhí)行動作a轉(zhuǎn)移到狀態(tài)s'的概率，γ是折扣因子。

? ? ? ? 波士頓動力的Atlas機(jī)器人是上述所有技術(shù)的綜合體現(xiàn)，通過高性能硬件、先進(jìn)的算法和精細(xì)的系統(tǒng)集成，使其具備了極其出色的動態(tài)穩(wěn)定性和復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力。

? ? ? ?波士頓動力公司（Boston Dynamics）的最新人形機(jī)器人Atlas是一款先進(jìn)的雙足機(jī)器人，代表著機(jī)器人技術(shù)和人工智能的前沿發(fā)展成果。以下是對其原理的詳細(xì)介紹：

? ? ? ?Atlas擁有類人生物力學(xué)結(jié)構(gòu)，其主體框架包含輕質(zhì)材料制成的骨架和多個電機(jī)驅(qū)動的關(guān)節(jié)。它擁有28個自由度，包括四肢關(guān)節(jié)、軀干轉(zhuǎn)動、頭部轉(zhuǎn)動等，這些高度靈活的關(guān)節(jié)使得Atlas能夠模仿人類進(jìn)行復(fù)雜的三維空間運(yùn)動。

? ? ? ?Atlas的運(yùn)動控制基于精密的動態(tài)模型和先進(jìn)的控制算法。通過實時計算和調(diào)整關(guān)節(jié)扭矩，Atlas能夠在行走、跑步、跳躍、攀爬以及承受外部擾動時維持動態(tài)平衡。其動力學(xué)方程遵循牛頓-歐拉定律，通過求解拉格朗日動力學(xué)方程來計算所需關(guān)節(jié)力矩，確保機(jī)器人在不同狀態(tài)下都能夠穩(wěn)定運(yùn)動。

Atlas配備了豐富的傳感器套件，包括但不限于立體視覺攝像頭、慣性測量單元（IMU）、關(guān)節(jié)位置傳感器、力/扭矩傳感器等。這些傳感器收集的數(shù)據(jù)通過傳感器融合算法處理，用于實時感知環(huán)境、定位自身以及估計外部力對機(jī)器人穩(wěn)定性的影響。

? ? ? ?Atlas采用了高級控制策略，如模型預(yù)測控制（MPC）和基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法，使得機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境變化制定并執(zhí)行合理的運(yùn)動計劃。強(qiáng)化學(xué)習(xí)讓Atlas能夠通過試錯學(xué)習(xí)優(yōu)化其動作策略，以完成更復(fù)雜的任務(wù)。

? ? ? ?Atlas能夠基于內(nèi)置的SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）算法進(jìn)行地圖構(gòu)建與自我定位，并通過路徑規(guī)劃算法實現(xiàn)自主導(dǎo)航。在復(fù)雜的環(huán)境中，Atlas能夠自主判斷地形，規(guī)劃最佳路徑，以及做出相應(yīng)的行為決策。

? ? ? ?除了底層的運(yùn)動控制，Atlas還在上層應(yīng)用了深度學(xué)習(xí)和其他機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以實現(xiàn)更高層次的認(rèn)知功能，如物體識別、抓取策略選擇、環(huán)境適應(yīng)性學(xué)習(xí)等。

? ? ? ? 為了支撐其高性能運(yùn)動和傳感器負(fù)載，Atlas采用高效能源管理系統(tǒng)，通過優(yōu)化的能量分配策略延長電池續(xù)航，確保機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時有足夠的電量。

? ? ? ?總體而言，波士頓動力Atlas機(jī)器人是機(jī)械工程、電氣工程、計算機(jī)科學(xué)和人工智能等多個學(xué)科交叉發(fā)展的產(chǎn)物，其最新人形機(jī)器人型號通過持續(xù)的技術(shù)革新和優(yōu)化，展現(xiàn)出越來越接近人類的靈活運(yùn)動能力和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的智慧。