智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）
編譯?| 張銘滟
編輯 | 云鵬
智東西6月30日消息，據(jù)IEEE Spectrum報(bào)道，南非開(kāi)普敦大學(xué)的機(jī)器人學(xué)家受獵豹啟發(fā)，正在研究獵豹解剖學(xué)和動(dòng)力學(xué)的細(xì)節(jié)，以使他們的機(jī)器人也可以具備獵豹高速的特質(zhì)。野外的獵豹在狩獵中表現(xiàn)出了頂級(jí)捕食者非凡的靈活加速的能力和其他高速動(dòng)作，學(xué)者以獵豹為靈感，研發(fā)控制腿式機(jī)器人（legged robots）的方法。
電動(dòng)機(jī)械有助于將腿式機(jī)器人帶入主流，它提供了一種簡(jiǎn)單緊湊的控制機(jī)器人肢體的方法，具有安全靈活運(yùn)動(dòng)所需的控制功能。大多數(shù)電動(dòng)機(jī)無(wú)法提供的是與生物肌肉性能相類似所需的瞬時(shí)功率。這就是Atlas可以稱是目前最強(qiáng)大、最動(dòng)態(tài)的機(jī)器人的原因。Atlas使用液壓執(zhí)行器讓一個(gè)真人大小的機(jī)器人做后空翻，這幾乎是獲得所需動(dòng)力的唯一方法。
▲圖為Atlas機(jī)器人
一、機(jī)器人的爆發(fā)力或許可以像獵豹一樣
受獵豹高速奔跑的啟發(fā)，南非開(kāi)普敦大學(xué)的機(jī)器人專家開(kāi)始試驗(yàn)老式的氣動(dòng)液壓執(zhí)行器。通過(guò)使用氣體而不是液體作為工作流體，機(jī)器人就可以用相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的形式獲得較高的力重比，并具有流體力學(xué)所缺乏的內(nèi)置順應(yīng)性。事實(shí)證明，如果要讓機(jī)器人像獵豹一樣奔跑，復(fù)雜的控制可能甚至沒(méi)有必要。
南非開(kāi)普敦大學(xué)的阿米爾·帕特爾說(shuō)到：“我們認(rèn)為，快速機(jī)動(dòng)可能不需要精細(xì)的力控制?！?/p>
首先，讓我們來(lái)談?wù)勔簤合到y(tǒng)的問(wèn)題，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)復(fù)雜、昂貴，如果它們爆炸，有時(shí)會(huì)爆炸，而且會(huì)有各種各樣的混亂。盡管水力學(xué)的不順從性使它們更容易建模和控制，但問(wèn)題在于實(shí)踐中不易應(yīng)用。
如果你追溯到20世紀(jì)80年代，馬克·賴伯特（Marc Raibert）在麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)腿機(jī)器人時(shí)，那些跑步和跳躍機(jī)器人依賴于氣動(dòng)而不是液壓，因?yàn)闅鈩?dòng)更容易實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在的機(jī)械多用液壓而不是氣動(dòng)的重要原因是空氣是可壓縮的。這種機(jī)械的內(nèi)置順應(yīng)性很好，但會(huì)打亂大多數(shù)傳統(tǒng)的控制方法。
開(kāi)普敦大學(xué)副教授Amir Patel解釋道：“這種制動(dòng)器很難精準(zhǔn)控制力量。液壓裝置是不可壓縮的，它的效果更好，但它比氣動(dòng)裝置貴。當(dāng)觀察到需要四肢進(jìn)行爆發(fā)性運(yùn)動(dòng)的動(dòng)物時(shí)，我們認(rèn)為氣動(dòng)裝置是一種很好的制動(dòng)器。但這點(diǎn)經(jīng)常被忽視。”
Patel在獵豹生物力學(xué)方面做了大量的研究。最近，Patel一直在研究，試圖以更真實(shí)的方式跟蹤獵豹的動(dòng)態(tài)，了解它們是如何按照自己的方式移動(dòng)的。但捕捉獵豹精細(xì)動(dòng)作這件事非常難。這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中，但Patel基于其研究提出了一種新的獵豹運(yùn)動(dòng)方法。Patel說(shuō)：“從我們多年來(lái)在南非研究獵豹的情況來(lái)看，它們從休息狀態(tài)加速時(shí)似乎并沒(méi)有進(jìn)行精細(xì)的力量控制。它們只是盡可能地用力推動(dòng)，這讓我們認(rèn)為像氣動(dòng)這樣的開(kāi)關(guān)制動(dòng)器可以完成這項(xiàng)工作。我們認(rèn)為，機(jī)器人的快速機(jī)動(dòng)可能不需要精細(xì)的力控制。”
二、靈感源于獵豹的Kemba腿式機(jī)器人
Patel與同事Christopher Mailer、Stacey Shield和Reuben Govender一起制造了一個(gè)名為Kemba的腿式機(jī)器人，用以探索氣動(dòng)可以提供的快速加速和機(jī)動(dòng)性。Kemba的臀部采用了高扭矩準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定位，并在膝蓋上安裝了強(qiáng)力氣動(dòng)活塞。雖然電動(dòng)馬達(dá)提供了精確控制，但活塞是由簡(jiǎn)單便宜的二進(jìn)制閥控制的，可以打開(kāi)或關(guān)閉。
研究人員在建模氣動(dòng)執(zhí)行器的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)方面付出了相當(dāng)多的努力，因?yàn)樾枰私鈿鈩?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。但是，Kemba的要求是使用氣動(dòng)裝置進(jìn)行爆炸驅(qū)動(dòng)，從臀部的電動(dòng)機(jī)獲得更精細(xì)的控制。
有了吊桿支撐，7公斤重的Kemba能夠在受控著陸的情況下反復(fù)跳到0.5米，并達(dá)到1米的最大跳躍高度。
Patel解釋說(shuō)，雖然這些跳躍高度和最高速度等指標(biāo)看起來(lái)很不錯(cuò)，但這并不是研究的重點(diǎn)內(nèi)容?！皩?duì)于Kemba，我們專注于運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡階段，比如從靜止?fàn)顟B(tài)快速加速，或者在高速步態(tài)時(shí)休息。目前大多數(shù)論文研究并沒(méi)有真正關(guān)注運(yùn)動(dòng)的這一階段。我希望更多的實(shí)驗(yàn)室能夠公布他們?cè)谶@一領(lǐng)域的結(jié)果，這樣我們就可以獲得一些指標(biāo)（和數(shù)據(jù)）進(jìn)行比較研究。”
▲圖為Kemba腿式機(jī)器人
第一作者Christopher Mailer表示，Patel最終希望Kemba成為生物學(xué)家可以用來(lái)了解動(dòng)物運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的平臺(tái)，但在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，它可能會(huì)保持束縛。“很多人問(wèn)我們什么時(shí)候會(huì)將Kemba做成完整的機(jī)器人，或者Kemba攜帶壓縮機(jī)是否現(xiàn)實(shí)。但我們制造Kemba的目的主要是執(zhí)行和學(xué)習(xí)仿生運(yùn)動(dòng)，而不是專注于機(jī)載動(dòng)力或自主性?！?/p>
未來(lái)Kemba會(huì)有新的升級(jí)。它的脊椎和尾巴正在研發(fā)中，這兩者都將提供新的自由度，讓機(jī)器人行為更生動(dòng)。當(dāng)然，想讓腿式機(jī)器人接近真正的獵豹，還有很長(zhǎng)的路要走。氣動(dòng)方法有其前景，或者說(shuō)，任何有可能降低腿式機(jī)器人成本的方法都可以納入考慮。
結(jié)語(yǔ)：生物行為可以成為腿式機(jī)器人的研究靈感來(lái)源
力量控制是腿式機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一?？刂剖峭仁綑C(jī)器人穩(wěn)定和靈活運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。腿足機(jī)器人的控制方法靈感可以來(lái)源于生物模型分析。
基于對(duì)生物行為的學(xué)習(xí)可以探索機(jī)器人如何模擬生物的運(yùn)動(dòng)爆發(fā)力，獲得新的運(yùn)動(dòng)技能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)能力。
來(lái)源：IEEE Spectrum
