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      讓機器狗站起來走兩步,科學家:站起來更方便干活

      2022/11/15中國機械工程學會88

             從技術角度來說,四足(quadruped)這個詞意味著「四只腳」。機器人學者傾向于將該術語應用于任何使用四肢行走的事物,以區別于雙足機器人(后者靠兩肢行走)。但是,在機器人學和生物學領域都有一個巨大的、模糊的交叉點,你會發現動物在需要操縱某些東西時,可以從四足過渡到兩足。

             如果把四足機器人簡單地看成是有四個肢體(limb)的機器人,而不是有四只腳(foot)的機器人,它們開始顯得更「多才多藝」,但這種過渡可能是一個棘手的問題。在近日于日本京都舉行的智能機器人和系統國際會議 IROS 2022 上,來自馬薩諸塞州伍斯特理工學院(WPI)和上??萍即髮W的研究人員展示了一種可推廣的方法,即現成的四足機器人可以變成兩足機器人,只需要通過一些巧妙的軟件和微小的機械改造。

             此前也出現過可以從四足過渡到兩足的機器人,但它們的設計總是非??桃?,而且在重量、復雜性和成本方面付出了代價。而這項最新研究的獨特之處在于,它的目標是適用于任何四足機器人——通過一些非常小的硬件,你的四足機器人就可以變成兩足機器人。

             這種雙足化部件的機械部分是一個 3D 打印的支撐桿,被安裝在四足動物每條后腿的脛骨上,以提供額外的支持,使機器人能夠站立和穩健地行走。如果沒有脛骨附件,機器人就不會有靜態穩定性。這在機器人站立時尤其有用,因為它的質心在這個過程中得到了充分的支撐。視頻顯示,這種方法可以讓一種 看起來像 Mini Cheetah 的機器人站起來直立行走,但其實,只要滿足一些基本要求,其他機器人也能用同樣的方法。

             機器人直立之后的行走策略首先是在一個模擬環境中訓練的,然后又遷移到了實體的機器人身上。這并非易事,因為控制器試圖讓機器人既能行走又不會摔倒,目前表現最好的策略能夠讓機器人行走數米——一個看起來不足為奇的成績。

             但重要的是,這個機器人在設計之初并沒有考慮雙足行走,所以從某種意義上說,軟件正在努力讓硬件以一種它不應該而且肯定沒有優化過的方式工作。也許,如果這種能力能夠擴展開來,四足機器人的設計者可能會受到激勵,給他們的機器人增加一點靈活性,使其更具有適應性。

             關于更多的研究信息,IEEE Spectrum 對伍斯特理工學院教授 Andre Rosendo 進行了采訪。

             IEEE Spectrum:從根本上說,四條腿( four-legged)的機器人和四條腿(four-limbed)的機器人有區別嗎?

             Andre Rosendo:正如在自然界中看到的那樣,四足運動能夠實現更高的速度,機器人在用四條腿運動時明顯更快。同樣地,動物從四條腿過渡到兩條腿的過程中所看到的與可操縱性有關的好處(例如,南方古猿用手把食物送到嘴里),對機器人來說也是存在的。我們目前正在為前肢開發一個「可變末端作用器」,以使這種四足機器人在站立、處理和操作物體時成為一個「雙臂操作器」。

             IEEE Spectrum:你們為什么決定采用這種特殊的系統來實現雙足的轉換?

             Andre Rosendo:我們注意到,用固定的結構來調整四足機器人的后腿是相當容易的,而且性能下降的幅度非常小。雖然沒有主動式結構那么美觀,但現在材料的進步讓我們能夠使用從腿部伸出的小型碳纖維部件來模仿腳帶來的相同的被動穩定性(在腿部運動中被稱為穩定多邊形)。另一方面,主動伸縮系統會在腿上增加一個微小的馬達,增加腿在運動過程中的慣性矩,對性能產生負面影響。

             IEEE Spectrum:這個系統的行走性能有什么限制?

             Andre Rosendo:我們在模擬環境中對機器人進行了訓練,行走的步態在被遷移到現實世界后是穩定的,盡管很緩慢。雙足機器人的腿部通常有更多的自由度,以允許更多動態的和適應性的運動,但在我們的案例中,我們專注于多模式方面,以獲得兩個層面的好處:四足機器人的穩定性和速度以及雙足機器人的靈活操作能力。

             IEEE Spectrum:你們下一步的工作是什么?

             Andre Rosendo:我們下一步將開發這個機器人的可操作性。更具體地說,我們一直在問自己一個問題——「現在我們可以站起來了,那么還可以做什么其他機器人做不到的事情?」對此,我們已經有了一些初步的結果,那就是爬到比機器人本身重心高的地方。在對前肢進行機械改造后,我們將更好地評估可能需要雙手同時操作的復雜操作,這在目前的移動機器人中是罕見的。

      關鍵詞: 機器狗 四足機器人




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