向每秒跳躍2.2米的“夜猴”學(xué)習(xí)，世界最敏捷的跳躍機(jī)器人非它莫屬

UC Berkeley 的 Ron Fearing 微型仿生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室以研發(fā)穩(wěn)定性良好的仿生機(jī)器人而聞名，Duncan Haldane 則是這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的主要負(fù)責(zé)人。Duncan Haldane 的主攻方向包括奔跑機(jī)器人、帶翅膀的機(jī)器人、有尾巴的機(jī)器人，甚至還有一些有頭發(fā)的機(jī)器人。Haldane 和實(shí)驗(yàn)室其他組員尤其擅長(zhǎng)在一些最具創(chuàng)造力和實(shí)力的動(dòng)物中尋找靈感，并將它融入在機(jī)器人設(shè)計(jì)之中。

動(dòng)物界中最具有跳躍天賦的機(jī)器人叫作夜猴，毛茸茸的它還有另一個(gè)名字——嬰猴。這是一種生活在非洲的動(dòng)物，雖然本體只有幾公斤重卻能一個(gè)起跳就越過兩米高的灌木叢。對(duì)于這種驚人的彈跳下蘊(yùn)藏的秘密，生物學(xué)家十年前有了一些揭示：夜猴利用自己的腿部結(jié)構(gòu)放大肌肉和肌腱的力量。在剛剛發(fā)布的全新版《機(jī)器人科學(xué)》期刊中，Haldane 與 M. M. Plecnik、J. K. Yim 、R. S. Fearing 聯(lián)合展示了一款只有 100 g 重但彈跳驚人的機(jī)器人設(shè)計(jì)——他們利用夜猴的彈跳秘密成功研發(fā)出前所未有的敏捷的機(jī)器人。

彈跳的有效運(yùn)動(dòng)絕不僅僅在于你能夠跳的多遠(yuǎn)——更關(guān)鍵的也在于你能達(dá)到的彈跳頻率。研究者們提到的“敏捷度”是指機(jī)器人在不斷跳躍過程中能達(dá)到的跳躍高度，更專業(yè)的說法是“跳躍系統(tǒng)在不斷重復(fù)跳躍時(shí)能達(dá)到的最大平均垂直速度”。如果是夜猴，0.78  秒的時(shí)間內(nèi)能跳到 1.7 米的高度，那么敏捷度就是 2.2 m/s。

高度靈活不僅要求要跳的高，還意味著要加快彈跳的頻率。瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)研發(fā)的蚱蜢仿生機(jī)器人雖然可以跳到 1.3 米，但卻只能每 4 秒跳一次，因此它的靈活度就很低。從另一個(gè)角度來(lái)講，Minitaur 雖然只能跳到 0.48 米的高度，但這個(gè)動(dòng)作每 0.43 秒就能完成一次，所以即使彈跳并不怎么高，它的敏捷度還是不錯(cuò)的。

圖1： 4秒為一個(gè)跳躍周期，自左向右分別為并聯(lián)彈性 EPFL 跳躍機(jī)器人、剛性 Minitaur 機(jī)器人、串聯(lián)功率調(diào)節(jié)式夜猴仿生跳躍機(jī)器人（本文講述的）以及動(dòng)物。每個(gè)箭頭代表一次跳躍；每一類型的右側(cè)數(shù)字表示跳躍高度和跳躍周期

敏捷度的增加意味著要有更高的彈跳高度、更快的彈跳頻率，或兩者兼有。夜猴可以跳得更高，但是他們擁有極高敏捷度的原因則是他們不停地跳躍。大多數(shù)跳得高的機(jī)器人靈活度都不太好，因?yàn)樗麄兺枰盍Σ拍鼙ＷC再一次起跳，這樣一來(lái)彈跳頻率自然就會(huì)受到影響。Berkeley 的研究者們想要一臺(tái)可以媲美夜猴，兩者兼顧的機(jī)器人。最終，研究者研發(fā)出了與夜猴十分接近的仿生跳躍機(jī)器人，0.58 秒內(nèi)跳到 1 米高度的能力使得敏捷度能達(dá)到 1.7 m/s 。

Salto 跳躍所需的基本器件是一個(gè)類似彈簧的彈性元件。不同的是，Salto跳躍系統(tǒng)中的彈性元件有點(diǎn)像能夠扭曲的橡膠，是串聯(lián)放置的，這樣才能獲得串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器（ SEA ）。串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器性能很好，它不僅能夠保護(hù)電機(jī)，還能控制具體的力量大小，這樣就使得跳躍系統(tǒng)能夠被動(dòng)恢復(fù)一些能量，并且進(jìn)行功率調(diào)制。

最后一個(gè)尤為重要的點(diǎn)在于，功率調(diào)制器是一個(gè)受控（調(diào)制）的能量存儲(chǔ)和釋放器件。對(duì) Salto 這樣的跳躍機(jī)器人就意味著它能夠在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)向彈簧輸入能量，然后在（相對(duì)）短的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行釋放。大多數(shù)比較成功的跳躍式機(jī)器人使用彈性驅(qū)動(dòng)器來(lái)調(diào)節(jié)所需要的力量大小：利用電機(jī)卷起彈簧，然后借助所有聚集的能量奮力一跳，機(jī)器人如果單純依賴電機(jī)輸出能量的話，他們的力量性能會(huì)更好。

夜猴的肌肉和肌腱就相當(dāng)于我們說的彈簧。然而，Berkeley 研究者在 Salto 中實(shí)際模擬的是夜猴的另一種跳躍特性：它的可變機(jī)械優(yōu)勢(shì)的腿。夜猴的腿部形態(tài)與跳躍技巧，能夠使得夜猴的跳躍能力比單獨(dú)使用肌肉時(shí)提升了 15 倍——這才是研究者開展 Salto 研究的真正目標(biāo)所在。

功率調(diào)制模型及實(shí)例。（A）包含串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)及MA模塊的功率調(diào)制系統(tǒng)模型。（B）機(jī)器人機(jī)械連接示意圖。（C）Salto 跳躍機(jī)器人的整體實(shí)物圖。

機(jī)械效益通常發(fā)生在利用杠桿（如撬棍）將較小的力和較大的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為較大的力和較小的運(yùn)動(dòng)時(shí)。Salto 的腿（夜猴和其他跳躍動(dòng)物的腿同理）的獨(dú)特之處在于它的機(jī)械效益是可變的：機(jī)器人或動(dòng)物蹲下，腿呈收回狀態(tài)時(shí)，機(jī)械效益很低。但進(jìn)行跳躍運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械效益會(huì)盡可能長(zhǎng)地保持較低水平，并在跳躍運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中腿部伸展時(shí)快速增加。基本上講，這減慢了跳躍的起飛速度，也讓腳能有更長(zhǎng)的時(shí)間與表面接觸。Haldane 將這種狀態(tài)稱為“超蜷縮狀態(tài)”。

機(jī)械效益作為腿部伸展功能模塊。能量?jī)?chǔ)存與返回階段的各自平均值。卡通圖表示機(jī)器人腿部完全蹲下以及完全伸展的狀態(tài)。

這種具備機(jī)械效益的下蹲會(huì)使 Salto 在跳躍的起飛階段與表面接觸的時(shí)間增加 60 毫秒。聽起來(lái)可能并沒有那么多，觀察機(jī)器人的行動(dòng)時(shí)也幾乎是看不到的。但相比于不可變機(jī)械效益而言，Salto 的這種特性可以使通過其腿部傳輸?shù)哪芰刻嵘齼杀恫恢梗S功率也會(huì)提升將近 3 倍。僅使用一系列彈性致動(dòng)器的 Salto 機(jī)器人就能夠跳到 0.75 m，而 Salto 本身（具有可變的機(jī)械效益腿）更是可以跳到 1 米之高。這就是發(fā)生在 Salto 的酷事：這種巨大性能提高得感謝仿生動(dòng)物腿部設(shè)計(jì)小細(xì)節(jié)。雖然目前它還不能與夜猴相比，但它卻足以和牛蛙表現(xiàn)的一般優(yōu)秀。我想 Salto 另一個(gè)很酷的方面就是，它已經(jīng)能夠利用垂直墻面增加 Salto 的彈跳高度或者改變彈跳方向來(lái)玩“跑酷”了。你可能注意到 Salto 目前還不具備很多感知能力，它的跳躍也都是開環(huán)的。他可以使用旋轉(zhuǎn)慣性尾進(jìn)行自身定位，但尚且不能適應(yīng)不同的表面。

研究人員將要開展的下一步工作包括調(diào)查新的運(yùn)動(dòng)模式，當(dāng)然也會(huì)將多個(gè)跳躍鏈接在一起，還有可能添加另一條腿（或三條腿）來(lái)看看會(huì)發(fā)生什么，但至少在近期，Haldane 說他想看看單腳版本的 Salto 到底能夠發(fā)展成什么樣子。

另外值得一提的是，Salto 的多變式機(jī)械腿適用于使用 SEA 的其他有腿式機(jī)器人，如 StarlETH，ANYMAL或 ATRIAS。如果來(lái)看看這個(gè)想法如何提高其他平臺(tái)的性能和效率的話，我們是很有興趣的。

via：ieee

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