智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯?| 張銘滟
編輯 | 云鵬
智東西6月30日消息，據(jù)IEEE Spectrum報道，南非開普敦大學的機器人學家受獵豹啟發(fā)，正在研究獵豹解剖學和動力學的細節(jié)，以使他們的機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)出了頂級捕食者非凡的靈活加速的能力和其他高速動作，學者以獵豹為靈感，研發(fā)控制腿式機器人（legged robots）的方法。
電動機械有助于將腿式機器人帶入主流，它提供了一種簡單緊湊的控制機器人肢體的方法，具有安全靈活運動所需的控制功能。大多數(shù)電動機無法提供的是與生物肌肉性能相類似所需的瞬時功率。這就是Atlas可以稱是目前最強大、最動態(tài)的機器人的原因。Atlas使用液壓執(zhí)行器讓一個真人大小的機器人做后空翻，這幾乎是獲得所需動力的唯一方法。
▲圖為Atlas機器人
一、機器人的爆發(fā)力或許可以像獵豹一樣
受獵豹高速奔跑的啟發(fā)，南非開普敦大學的機器人專家開始試驗老式的氣動液壓執(zhí)行器。通過使用氣體而不是液體作為工作流體，機器人就可以用相對簡單和廉價的形式獲得較高的力重比，并具有流體力學所缺乏的內(nèi)置順應(yīng)性。事實證明，如果要讓機器人像獵豹一樣奔跑，復(fù)雜的控制可能甚至沒有必要。
南非開普敦大學的阿米爾·帕特爾說到：“我們認為，快速機動可能不需要精細的力控制?！?/p>
首先，讓我們來談?wù)勔簤合到y(tǒng)的問題，因為液壓系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴，如果它們爆炸，有時會爆炸，而且會有各種各樣的混亂。盡管水力學的不順從性使它們更容易建模和控制，但問題在于實踐中不易應(yīng)用。
如果你追溯到20世紀80年代，馬克·賴伯特（Marc Raibert）在麻省理工學院開發(fā)動態(tài)腿機器人時，那些跑步和跳躍機器人依賴于氣動而不是液壓，因為氣動更容易實現(xiàn)。
現(xiàn)在的機械多用液壓而不是氣動的重要原因是空氣是可壓縮的。這種機械的內(nèi)置順應(yīng)性很好，但會打亂大多數(shù)傳統(tǒng)的控制方法。
開普敦大學副教授Amir Patel解釋道：“這種制動器很難精準控制力量。液壓裝置是不可壓縮的，它的效果更好，但它比氣動裝置貴。當觀察到需要四肢進行爆發(fā)性運動的動物時，我們認為氣動裝置是一種很好的制動器。但這點經(jīng)常被忽視?！?/p>
Patel在獵豹生物力學方面做了大量的研究。最近，Patel一直在研究，試圖以更真實的方式跟蹤獵豹的動態(tài)，了解它們是如何按照自己的方式移動的。但捕捉獵豹精細動作這件事非常難。這項工作仍在進行中，但Patel基于其研究提出了一種新的獵豹運動方法。Patel說：“從我們多年來在南非研究獵豹的情況來看，它們從休息狀態(tài)加速時似乎并沒有進行精細的力量控制。它們只是盡可能地用力推動，這讓我們認為像氣動這樣的開關(guān)制動器可以完成這項工作。我們認為，機器人的快速機動可能不需要精細的力控制?！?/p>
二、靈感源于獵豹的Kemba腿式機器人
Patel與同事Christopher Mailer、Stacey Shield和Reuben Govender一起制造了一個名為Kemba的腿式機器人，用以探索氣動可以提供的快速加速和機動性。Kemba的臀部采用了高扭矩準直驅(qū)電機，可實現(xiàn)更精準的定位，并在膝蓋上安裝了強力氣動活塞。雖然電動馬達提供了精確控制，但活塞是由簡單便宜的二進制閥控制的，可以打開或關(guān)閉。
研究人員在建模氣動執(zhí)行器的復(fù)雜動力學方面付出了相當多的努力，因為需要了解氣動執(zhí)行機構(gòu)的工作。但是，Kemba的要求是使用氣動裝置進行爆炸驅(qū)動，從臀部的電動機獲得更精細的控制。
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，并達到1米的最大跳躍高度。
Patel解釋說，雖然這些跳躍高度和最高速度等指標看起來很不錯，但這并不是研究的重點內(nèi)容?！皩τ贙emba，我們專注于運動的過渡階段，比如從靜止狀態(tài)快速加速，或者在高速步態(tài)時休息。目前大多數(shù)論文研究并沒有真正關(guān)注運動的這一階段。我希望更多的實驗室能夠公布他們在這一領(lǐng)域的結(jié)果，這樣我們就可以獲得一些指標（和數(shù)據(jù)）進行比較研究?！?/p>
▲圖為Kemba腿式機器人
第一作者Christopher Mailer表示，Patel最終希望Kemba成為生物學家可以用來了解動物運動生物力學的平臺，但在可預(yù)見的未來，它可能會保持束縛。“很多人問我們什么時候會將Kemba做成完整的機器人，或者Kemba攜帶壓縮機是否現(xiàn)實。但我們制造Kemba的目的主要是執(zhí)行和學習仿生運動，而不是專注于機載動力或自主性?！?/p>
未來Kemba會有新的升級。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，讓機器人行為更生動。當然，想讓腿式機器人接近真正的獵豹，還有很長的路要走。氣動方法有其前景，或者說，任何有可能降低腿式機器人成本的方法都可以納入考慮。
結(jié)語：生物行為可以成為腿式機器人的研究靈感來源
力量控制是腿式機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。控制是腿式機器人穩(wěn)定和靈活運動的基礎(chǔ)。腿足機器人的控制方法靈感可以來源于生物模型分析。
基于對生物行為的學習可以探索機器人如何模擬生物的運動爆發(fā)力，獲得新的運動技能，實現(xiàn)預(yù)期的運動能力。
來源：IEEE Spectrum
