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向每秒跳跃2.2米的“夜猴”学习,世界最敏捷的跳跃机器人非它莫属

[日期:2016-12-08] 来源:雷锋网   作者: [字体: ]

UC Berkeley 的 Ron Fearing 微型仿生系统实验室以研发稳定性良好的仿生机器人而闻名,Duncan Haldane 则是这个实验室的主要负责人。Duncan Haldane 的主攻方向包括奔跑机器人、带翅膀的机器人、有尾巴的机器人,甚至还有一些有头发的机器人。Haldane 和实验室其他组员尤其擅长在一些最具创造力和实力的动物中寻找灵感,并将它融入在机器人设计之中。

动物界中最具有跳跃天赋的机器人叫作夜猴,毛茸茸的它还有另一个名字——婴猴。这是一种生活在非洲的动物,虽然本体只有几公斤重却能一个起跳就越过两米高的灌木丛。对于这种惊人的弹跳下蕴藏的秘密,生物学家十年前有了一些揭示:夜猴利用自己的腿部结构放大肌肉和肌腱的力量。在刚刚发布的全新版《机器人科学》期刊中,Haldane 与 M. M. Plecnik、J. K. Yim 、R. S. Fearing 联合展示了一款只有 100 g 重但弹跳惊人的机器人设计——他们利用夜猴的弹跳秘密成功研发出前所未有的敏捷的机器人。

弹跳的有效运动绝不仅仅在于你能够跳的多远——更关键的也在于你能达到的弹跳频率。研究者们提到的“敏捷度”是指机器人在不断跳跃过程中能达到的跳跃高度,更专业的说法是“跳跃系统在不断重复跳跃时能达到的最大平均垂直速度”。如果是夜猴,0.78 秒的时间内能跳到 1.7 米的高度,那么敏捷度就是 2.2 m/s。

高度灵活不仅要求要跳的高,还意味着要加快弹跳的频率。瑞士洛桑联邦理工大学研发的蚱蜢仿生机器人虽然可以跳到 1.3 米,但却只能每 4 秒跳一次,因此它的灵活度就很低。从另一个角度来讲,Minitaur 虽然只能跳到 0.48 米的高度,但这个动作每 0.43 秒就能完成一次,所以即使弹跳并不怎么高,它的敏捷度还是不错的。

图1: 4秒为一个跳跃周期,自左向右分别为并联弹性 EPFL 跳跃机器人、刚性 Minitaur 机器人、串联功率调节式夜猴仿生跳跃机器人(本文讲述的)以及动物。每个箭头代表一次跳跃;每一类型的右侧数字表示跳跃高度和跳跃周期

敏捷度的增加意味着要有更高的弹跳高度、更快的弹跳频率,或两者兼有。夜猴可以跳得更高,但是他们拥有极高敏捷度的原因则是他们不停地跳跃。大多数跳得高的机器人灵活度都不太好,因为他们往往需要蓄力才能保证再一次起跳,这样一来弹跳频率自然就会受到影响。Berkeley 的研究者们想要一台可以媲美夜猴,两者兼顾的机器人。最终,研究者研发出了与夜猴十分接近的仿生跳跃机器人,0.58 秒内跳到 1 米高度的能力使得敏捷度能达到 1.7 m/s 。

Salto 跳跃所需的基本器件是一个类似弹簧的弹性元件。不同的是,Salto跳跃系统中的弹性元件有点像能够扭曲的橡胶,是串联放置的,这样才能获得串联弹性驱动器( SEA )。串联弹性驱动器性能很好,它不仅能够保护电机,还能控制具体的力量大小,这样就使得跳跃系统能够被动恢复一些能量,并且进行功率调制。

最后一个尤为重要的点在于,功率调制器是一个受控(调制)的能量存储和释放器件。对 Salto 这样的跳跃机器人就意味着它能够在一个较长的时间内向弹簧输入能量,然后在(相对)短的一段时间内进行释放。大多数比较成功的跳跃式机器人使用弹性驱动器来调节所需要的力量大小:利用电机卷起弹簧,然后借助所有聚集的能量奋力一跳,机器人如果单纯依赖电机输出能量的话,他们的力量性能会更好。

夜猴的肌肉和肌腱就相当于我们说的弹簧。然而,Berkeley 研究者在 Salto 中实际模拟的是夜猴的另一种跳跃特性:它的可变机械优势的腿。夜猴的腿部形态与跳跃技巧,能够使得夜猴的跳跃能力比单独使用肌肉时提升了 15 倍——这才是研究者开展 Salto 研究的真正目标所在。

功率调制模型及实例。(A)包含串联弹性驱动及MA模块的功率调制系统模型。(B)机器人机械连接示意图。(C)Salto 跳跃机器人的整体实物图。

机械效益通常发生在利用杠杆(如撬棍)将较小的力和较大的运动转换为较大的力和较小的运动时。Salto 的腿(夜猴和其他跳跃动物的腿同理)的独特之处在于它的机械效益是可变的:机器人或动物蹲下,腿呈收回状态时,机械效益很低。但进行跳跃运动时,机械效益会尽可能长地保持较低水平,并在跳跃运动进行中腿部伸展时快速增加。基本上讲,这减慢了跳跃的起飞速度,也让脚能有更长的时间与表面接触。Haldane 将这种状态称为“超蜷缩状态”。

 

机械效益作为腿部伸展功能模块。能量储存与返回阶段的各自平均值。卡通图表示机器人腿部完全蹲下以及完全伸展的状态。

这种具备机械效益的下蹲会使 Salto 在跳跃的起飞阶段与表面接触的时间增加 60 毫秒。听起来可能并没有那么多,观察机器人的行动时也几乎是看不到的。但相比于不可变机械效益而言,Salto 的这种特性可以使通过其腿部传输的能量提升两倍不止,跳跃功率也会提升将近 3 倍。仅使用一系列弹性致动器的 Salto 机器人就能够跳到 0.75 m,而 Salto 本身(具有可变的机械效益腿)更是可以跳到 1 米之高。这就是发生在 Salto 的酷事:这种巨大性能提高得感谢仿生动物腿部设计小细节。虽然目前它还不能与夜猴相比,但它却足以和牛蛙表现的一般优秀。我想 Salto 另一个很酷的方面就是,它已经能够利用垂直墙面增加 Salto 的弹跳高度或者改变弹跳方向来玩“跑酷”了。你可能注意到 Salto 目前还不具备很多感知能力,它的跳跃也都是开环的。他可以使用旋转惯性尾进行自身定位,但尚且不能适应不同的表面。

研究人员将要开展的下一步工作包括调查新的运动模式,当然也会将多个跳跃链接在一起,还有可能添加另一条腿(或三条腿)来看看会发生什么,但至少在近期,Haldane 说他想看看单脚版本的 Salto 到底能够发展成什么样子。

另外值得一提的是,Salto 的多变式机械腿适用于使用 SEA 的其他有腿式机器人,如 StarlETH,ANYMAL或 ATRIAS。如果来看看这个想法如何提高其他平台的性能和效率的话,我们是很有兴趣的。

via:ieee

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