2016年，加州大學(xué)伯克利分校的一支研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款跳躍機(jī)器人Salto。過(guò)去4年中，該團(tuán)隊(duì)一直致力于提升Salto機(jī)器人的性能。

 

　　通過(guò)之前的研究，Salto實(shí)現(xiàn)了連續(xù)跳躍、從障礙物表面反彈跳躍、在戶外跳躍的能力。但是，Salto跳躍到指定位置的準(zhǔn)確性和著陸時(shí)的平衡性還有所欠缺，這導(dǎo)致其難以跨越障礙物。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)的最新研究嘗試解決這一問(wèn)題。在近日舉辦的ICRA 2020會(huì)議上，加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)介紹了最新款機(jī)器人模型Salto-1P。Salto-1P可以用單足精準(zhǔn)地跳躍到一個(gè)狹窄的支架上，著陸時(shí)能保持較好的平衡性。數(shù)據(jù)顯示，相比于之前的Salto機(jī)器人，Salto-1P跳躍水平距離的標(biāo)準(zhǔn)差從9.2cm下降到1.6cm。在另一項(xiàng)測(cè)試中，研究人員進(jìn)行了60次實(shí)驗(yàn)，Salto-1P只有3次偏離了目標(biāo)位置。

 

　　ICRA 2020是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域最具影響力的國(guó)際會(huì)議之一，由IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化協(xié)會(huì)舉辦。本項(xiàng)研究發(fā)表在學(xué)術(shù)網(wǎng)站IEEE Xplore上，論文標(biāo)題為《用姿態(tài)-相平衡實(shí)現(xiàn)精確的機(jī)器人跳躍和著陸（Precision Robotic Leaping and Landing Using Stance-phase Balance ）》。

 

　　論文鏈接：

 

　　https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9016133

 

 

　　論文分析了現(xiàn)有的從靜態(tài)開(kāi)始跳躍的機(jī)器人、跑步機(jī)器人、多自由度機(jī)器人。通過(guò)這項(xiàng)工作，研究人員發(fā)現(xiàn)了這些解決方案存在的問(wèn)題。

 

　　初始狀態(tài)為靜態(tài)的機(jī)器人在跳躍之前，一般會(huì)進(jìn)行穩(wěn)定的助跑，以瞄準(zhǔn)目標(biāo)位置。這種方式可以提升機(jī)器人跳躍到指定位置的準(zhǔn)確性，但是無(wú)法控制機(jī)器人的著陸姿勢(shì)。因此，每完成一次跳躍，機(jī)器人可能需要研究人員進(jìn)行一次扶正動(dòng)作。

 

　　跑步機(jī)器人一般采用彈簧加載反擺模型（SLIP，Spring Loaded Inverted Pendulum），能夠?qū)⑻S動(dòng)作融合到步態(tài)中，但是無(wú)法設(shè)置著陸、停止跑動(dòng)時(shí)的姿勢(shì)。

 

　　具有多自由度的四足或六足機(jī)器人能夠完成跨越障礙和翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作，但是，這類機(jī)器人一般只能在較平坦、廣闊的位置著陸，而不能在狹窄的區(qū)域著陸。

 

　　本項(xiàng)研究中，研究人員嘗試用基于角動(dòng)量的傾斜控制器來(lái)提升跳躍機(jī)器人跳躍到指定位置的準(zhǔn)確性和著陸時(shí)的平衡性。

 

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人以一定的角度著陸時(shí)，他們的落地動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生大量的角動(dòng)量。這種情況下，機(jī)器人的著陸角度必須十分精確，否則就無(wú)法保持平衡。比如，如果要從1米高的地方平穩(wěn)落地，機(jī)器人的著陸角度需要控制在2.3度左右。基于角動(dòng)量的傾斜控制器可以精準(zhǔn)控制機(jī)器人的著陸角度，幫助機(jī)器人平穩(wěn)著陸到指定位置。

 

 

　　研究人員將基于角動(dòng)量的傾斜控制器用于單足機(jī)器人Salto-1P。Salto-1P的主要組成部分有推進(jìn)器（Thrusters）、座駕（chassis）、反沖式葉輪（reaction wheel）、腿部電動(dòng)機(jī)（leg motor）、足部等。

 

　　Salto-1P采用點(diǎn)足（point foot），同時(shí)腿部設(shè)置有兩個(gè)“腳趾”。研究人員稱，當(dāng)Salto-1P蹲下時(shí)，其腿部的兩個(gè)“腳趾”能夠接觸到地面，這可以增大機(jī)器人著陸時(shí)的力矩、使機(jī)器人著陸更加平穩(wěn)。

 

▲Salto-1P示意圖

 

　　Salto-1P體長(zhǎng)約為0.313米，質(zhì)量為0.111千克。

 

▲Salto-1P參數(shù)表

 

　　研究人員用機(jī)載編碼器和陀螺儀來(lái)測(cè)量重心位移、起跳速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。測(cè)量水平速度的誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.1m/s。

 

　　為了更加可靠地評(píng)估學(xué)習(xí)控制、腿部控制和著陸策略的可靠性，研究人員增加了一個(gè)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，用其測(cè)量機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的水平距離等參數(shù)。

 

　　共進(jìn)行70次實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人基本上能在目標(biāo)位置著陸

 

　　機(jī)器人部署好后，研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了機(jī)器人在不同條件下跳躍到指定位置的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)中，研究人員用無(wú)線電以100Hz的頻率向機(jī)器人發(fā)送指令。

 

　　首先，研究人員規(guī)定機(jī)器人的起跳角度和腿部運(yùn)動(dòng)速度。研究人員將機(jī)器人起跳角度限制在0.218rad±75%，設(shè)置3種腿部運(yùn)動(dòng)速度，分別為1.88m/s、2.88m/s、3.88m/s。

 

　　在不同的起跳角度和腿部運(yùn)動(dòng)速度組合下，研究人員共進(jìn)行了60次實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人的起跳角度誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.023rad、水平速度平均誤差為0.041m/s、垂直速度平均誤差為-0.048m/s。60次實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人有57次成功在目標(biāo)位置著陸。

 

▲紅色點(diǎn)表示機(jī)器人未能在目標(biāo)位置著陸

 

　　接下來(lái)，研究人員規(guī)定機(jī)器人的跳躍軌跡，不設(shè)置起跳角度。根據(jù)論文，設(shè)置機(jī)器人的跳躍最高點(diǎn)比起跳點(diǎn)高0.571m（正好是兩倍機(jī)器人體長(zhǎng)），水平位移為32.6cm。機(jī)器人跳躍時(shí)的加速度被規(guī)定為30rad/s2、跳躍時(shí)間為0.07s、水平速度為3.38m/s。在未經(jīng)調(diào)整的情況下，機(jī)器人的起跳角度為0.166rad（調(diào)整后起跳角度為0.147rad）。

 

　　研究人員使機(jī)器人在起跳角度為0.166rad的情況下進(jìn)行10次跳躍，并記錄其起跳軌跡。下圖中，藍(lán)色線條代表參考軌跡，灰色線條為機(jī)器人起跳軌跡，紅色線條表示起跳角度調(diào)整為0.147rad后機(jī)器人的起跳軌跡。

 

▲Salto-1P的起跳軌跡圖

 

　　測(cè)量結(jié)果顯示，機(jī)器人跳躍的平均水平距離為35.1cm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.6cm。相比之下，之前的Salto機(jī)器人跳躍的平均水平距離標(biāo)準(zhǔn)差為9.2cm。

 

▲Salto-1P的跳躍軌跡圖

 

　　結(jié)語(yǔ)：未來(lái)機(jī)器人或能在柔軟、光滑表面上著陸

 

　　從2016年以來(lái)，加州大學(xué)伯克利分校的一支研究團(tuán)隊(duì)致力于不斷改善跳躍機(jī)器人Salto的性能。本項(xiàng)研究中，研究人員通過(guò)部署一個(gè)基于角動(dòng)量的傾斜控制器，使機(jī)器人能夠較精準(zhǔn)地跳躍到指定的位置。

 

　　論文還指出，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行連續(xù)跳躍動(dòng)作時(shí)，能夠在面積更小的目標(biāo)物上著陸。另外，為了使Salto機(jī)器人能夠獲得實(shí)際應(yīng)用，研究人員將在未來(lái)進(jìn)行更多探索。比如，研究人員將嘗試使機(jī)器人在柔軟或光滑表面上著陸。