在硬件技术的迅猛推动下，四足机器人在动力与速度领域取得了显著进步。尤其是强化学习等先进技术的应用，极大地增强了这些机器人在复杂环境中的移动控制稳定性。这一进展使得四足机器人在物资运输、环境探索等自动化任务中展现出了巨大的应用潜力。
然而，面对地形复杂、地势起伏剧烈的环境，四足机器人往往需要具备垂直移动的能力。例如，在灾难现场或未开发的自然环境中，倒塌的建筑物和岩石构成了高度变化极大的障碍。遗憾的是，现有的四足机器人大多擅长水平移动，而专为垂直移动设计的机器人则因结构过于特殊，在水平移动时显得笨拙。因此，能够稳定完成这类动作的机器人及其控制方法仍处于发展阶段。
近日，东京大学的Keita Yoneda研究团队成功研发出一款名为KLEIYN的四足机器人，该机器人在垂直攀爬方面取得了突破性进展。KLEIYN的核心亮点在于其配备的主动腰部关节，这一设计显著提升了机器人在狭窄墙壁上的跟踪能力和攀爬性能。通过创新的课程学习（Contact-Guided Curriculum Learning）方法，研究团队引导机器人逐步掌握了攀爬技巧，实现了水平移动与垂直攀爬的完美结合。
实验结果显示，KLEIYN能够成功攀爬宽度在800毫米至1000毫米之间的墙壁，并以平均150毫米/秒的速度进行。与传统同类机器人相比，KLEIYN的速度提升了近50倍，这一突破无疑为四足机器人在复杂环境中的应用开辟了新道路。
KLEIYN之所以能够实现既能在平地稳健行走，又能在高墙灵活攀爬，关键在于其腰部关节的创新设计。这款机器人体重18千克，体长760毫米，站立高度400毫米，紧凑的体型为其在狭窄空间内的灵活活动提供了基础。全身共有13个自由度（DOF），每条腿3个自由度，躯干部分1个自由度，使其既能完成基础动作，又能适应复杂地形。
在腿部结构上，KLEIYN借鉴了开源金属四足机器人MEVIUS的优势，每条腿包含肩胛骨连杆、大腿连杆和小腿连杆三个部分，通过关节连接。所有腿部关节均由减速比为1:10的电机驱动，最大扭矩可达25牛米，为行走和攀爬提供了充足动力。躯干部分则包括前体连杆和后体连杆，两者结构相同，内部容纳了车载电脑、电池等核心部件。连接这两部分的腰部关节可沿俯仰轴旋转，使躯干实现弯曲动作，为机器人在狭窄墙壁间的攀爬提供了关键灵活性。
KLEIYN的腰部关节采用单自由度旋转结构，框架由精密加工的铝材制成，并通过预仿真应力分析验证了强度。为增强刚性，关节采用双支撑结构，在电机输出轴的对侧设置轴承分担负载。电机输出通过1:9的低减速比齿轮以准直接驱动方式传递到旋转轴，保证了动力传输的高效性，并为课程学习中的“仿真到现实”迁移提供了便利。为满足攀爬场景中承受左右腿合力的需求，腰部关节还配备了最大扭矩48牛米的电机，确保在负载集中时也能稳定支撑机身完成动作。
依托创新的课程学习控制策略，KLEIYN从零基础逐步掌握了高难度的攀爬技能，并能灵活应对不同场景的挑战。其核心采用“Actor-Critic”架构，训练时执行者输出动作，评估者评估动作优劣并优化策略；实际作业时仅启动执行者，以50Hz频率精准控制关节运动。配合传感器系统，机器人能实时感知关节状态、自身姿态，并接收指令，为学习提供基础。
研究团队针对垂直攀爬的特性，提出了接触引导课程学习方法，让机器人在墙与地面的弧形连接处学习支撑发力，再逐步过渡到垂直墙壁。同时，在模拟器中设置多样场景，增强机器人的适应力。在学习过程中，非对称策略优化了训练效率，评估者同步掌握更多隐藏参数，更精准地评判动作合理性。精细化的奖励机制则引导机器人在试错中掌握省力稳定的攀爬技巧。
在模拟环境中，KLEIYN凭借课程学习掌握了高效攀爬策略，成功攀爬未经过训练的窄墙，证明了课程学习的泛化能力。接触引导课程学习的有效性也得到了验证，通过循序渐进的课程设计提升了学习效率。算法与机械结构的协同让攀爬效率倍增，有腰关节的机器人在窄墙上的表现更好，摆动阶段的反冲速度更显著。
在真实世界中，KLEIYN展现了卓越的攀爬能力，在800毫米、900毫米、1000毫米宽的墙壁上稳定攀爬，速度远超传统机器人。面对干扰，它能快速调整姿态重新稳定，展现出抗干扰能力。同时，它在台阶上下行走及不平坦石面的打滑恢复，证明了课程学习策略可有效迁移到真实运动场景，实现了攀爬与行走的双模式整合。
