作者:Evan Ackerman

蹦床也被机器人占领,浙大机器人蹦到停不下来

机器人也能蹦个床,浙江大学的研究者正使用四足机器人和蹦床来解锁新能力,从而研究怎样才能更好地旋转跳跃。

今天,我们可以看到很多具有高度机动性的四足机器人,它们能够奔跑或跳跃,但通常造价昂贵和结构复杂,需要强大的致动器和弹性腿。来自浙江大学的博士生 Boxing Wang 正致力于一个项目,即通过简单且价格实惠的硬件来研究四足机器人的跳跃能力。

浙大机器人侧向移动。

浙大机器人前向移动。

Boxing 表示:「这个项目的动机很简单。我想要研究四足机器人的跳跃控制,但既缺少定制的强大致动器,也不想设计弹性腿。所以我打算借助于蹦床来促使普通的伺服驱动四足机器人跳跃。」

Boxing 和他的团队希望研究四足机器人的奔跑和跳跃(的方式),因此他们用 Kondo KRS6003RHV 致动器建造了机器人。它有 6Nm 的最大扭转力。测试后,他们发现致动器不能够使机器人跳跃,并且机器人需要一个弹性结构用于存储能量。

「一般来说,人们会选择弹性腿,」Boxing 说,「但是实验室成员不知道如何设计它们。如果我们尝试制作弹性腿,但是没能让机器人跳起来的话,则无法确定是腿的问题还是控制算法的问题。在硬件方面,我们觉得还是使用一些可靠的、不会成为问题源的硬件。」

事实证明,只需要一个蹦床、一个惯性测量单元(IMU)以及脚底的小触觉开关来检测触碰和弹起事件,就能做一些有用的弹跳研究,且不需要完整的弹跳机器人。此外,蹦床还有其它优势,因为它的边缘比中心更硬,因此在真正出现错误前我们可以得到一些预兆信息。

Boxing 告诉 IEEE Spectrum:「我并不会说四足机器人在蹦床跳跃是一个突破,但我相信这对于原型测试有很大的帮助,特别是对那些对四足机器人非常感兴趣,但手上又没有合适机器人的研究者。」

使用蹦床的目的在于让跳跃软件在几乎不需要硬件的条件下启动运行。下一步则是给机器人增加一些有弹性的腿,让研究人员在控制系统在坚硬表面测试。团队现在有一篇论文正在审稿中,Boxing 是一作,论文作者还有 Chunlin Zhou, 本科生 Ziheng Duan and Qichao Zhu 以及研究员 Jun Wu 和 Rong Xiong(熊蓉)

为了获得更多的信息,IEEE Spectrum 通过邮件对浙大的研究人员进行了简短的采访:

IEEE Spectrum:这个想法是如何而来的?

Boxing Wang:蹦床机器人的想法是我们在喝奶茶的时候想出来的。我不知道它为什么会出现,可能是因为最近有人在健身房看到了蹦床。不记得究竟是谁提出的,好像是有人无意间说的。但我很快意识到蹦床是一个完美的选择。它是非常可靠的实验环境,易于购买,而且具有和弹性腿类似的动态模型(在我们的一篇论文里对此进行了简要的分析)。所以我决定尝试蹦床。

IEEE Spectrum:你认为从蹦床研究中可以了解到多少有关四足机器人的事情,而不是使用一个跳跃的四足机器人?

Boxing:一般来说,没有任何一个表面是完全没有形变的,它们都有些许弹性。因此在蹦床上的跳跃和在坚硬表面的跳跃活动没有本质的区别。然而,使用蹦床测试四足机器人可以获得更多关于如何借助弹性使跳跃变得更简单和高效的信息。你同样可以用有弹性腿的四足机器人解决这个问题,但是这需要更多硬件设计方面的投入。

我们可以把蹦床实验看做是未来真实四足机器人跳跃设计的一种早期测试。除非你对机器人在蹦床上的复杂动作感兴趣,四足机器人在真实环境中的跳跃时更有应用前景的方向,而这才是我们的最终目标。蹦床测试的重点首先在于开发控制算法,并测试常规硬件结构的稳定性。因为刚性腿在蹦床上跳跃和弹性腿在普通地面上跳跃的相似性,它们的控制算法是可以互相迁移的。

IEEE Spectrum:你认为这个想法能用于其它类型的机器人研究吗?

Boxing:是的,对于具有弹性腿的弹跳四足机器人,我们可以先通过简单的刚性腿在跳床上进行测试,并设计控制算法。此外,我们相信该工作能作为使用位置控制(position-control)实现动态运动的好例子,例如跳跃或奔跑等。

与其他动态机器人不同,我们机器人的每一个可活动关节都通过商用位置控制伺服器进行控制,而不是自定义的扭矩控制电机。大多数研究者都不认为位置控制机器人能实现高效的机动性能,例如跳跃等,但是位置控制电机通常意味着高传动比和慢响应。然而,我们的研究工作表明在弹性的帮助下,稳定的跳跃能通过位置控制伺服器实现。所以对于那些已经拥有位置控制机器人的研究者而言,它们可以通过蹦床探索机器人的潜力。

IEEE Spectrum:为什么教机器人跳跃很重要?

Boxing:很多场景都需要跳跃机器人。例如,真正的弹跳四足机器人可以用来设计能够奔跑的四足机器人。这是因为,在弹跳和奔跑活动中,都会有一个时刻四足全部离地,因此,对于机器人来说,从跳跃运动开始学习,然后将技能迁移到奔跑运动会更加容易。具体来说,如果不严格控制跳跃的俯仰角,单脚跳或垂直跳很容易转化成跳跃跑。一个跳跃跑四足机器人的行为类似于正在奔跑的兔子,所以现在它可以被称作奔跑四足机器人了。

据我们所知,弹跳四足机器人可以实际用于行星探索,就像 SpaceBok 跳跃机器人所设计的那样。在低重力环境中,跳跃比行走更高效,并且弹跳机器人更容易越过障碍物。如果我能拥有一个弹跳四足机器人,则会教它跳起来接住我扔给它的球。那真是太棒了!

原文地址:https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/quadruped-robot-on-a-trampoline

入门机器人控制理论
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