四足機(jī)器人是所有與運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性相關(guān)的腿式機(jī)器人中的最佳選擇。在穿越雜亂的地形和復(fù)雜危險(xiǎn)的環(huán)境時(shí)，它們可以超越輪式同行，但它們?nèi)匀粺o(wú)法沿著狹窄的山脊移動(dòng)。
現(xiàn)在，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所(RI)的一組研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，使現(xiàn)成的四足機(jī)器人足夠靈活，可以行走狹窄的平衡木——這可能是同類產(chǎn)品中的首創(chuàng)。
“這個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)模很大，”RI助理教授兼機(jī)器人探索實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人ZacharyManchester說(shuō)。“我認(rèn)為以前沒(méi)有人成功地用機(jī)器人完成過(guò)平衡木行走。”
通過(guò)利用通常用于控制太空衛(wèi)星的硬件，曼徹斯特和他的團(tuán)隊(duì)消除了四足動(dòng)物設(shè)計(jì)中的現(xiàn)有限制，以提高其平衡能力。
該團(tuán)隊(duì)的解決方案采用廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)的反作用輪執(zhí)行器（RWA），通過(guò)操縱航天器的角動(dòng)量來(lái)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制。研究人員開(kāi)發(fā)了一種概念驗(yàn)證RWA模塊，可以連接到標(biāo)準(zhǔn)UnitreeA1機(jī)器人的背面——一個(gè)在俯仰軸上，一個(gè)在滾動(dòng)軸上——以提供額外的角動(dòng)量控制。4.3公斤重的模塊結(jié)構(gòu)緊湊，可重復(fù)使用，并具有高控制帶寬。
借助一種新穎的控制技術(shù)，RWA允許機(jī)器人獨(dú)立于其腳的位置進(jìn)行平衡。使用RWA，機(jī)器人的腿是否與地面接觸并不重要，因?yàn)镽WA可以獨(dú)立控制身體的方向。
“你基本上有一個(gè)帶有電機(jī)的大飛輪，”與RI研究生Chi-YenLee以及機(jī)械工程研究生ShuoYang和BenjaminBoksor一起參與該項(xiàng)目的曼徹斯特說(shuō)。“如果你以一種方式旋轉(zhuǎn)沉重的飛輪，它會(huì)使衛(wèi)星以另一種方式旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在把它放在四足機(jī)器人的身上。”
研究人員表示，很容易修改現(xiàn)有的控制框架來(lái)解決RWA，因?yàn)橛布粫?huì)改變機(jī)器人的質(zhì)量分布，也沒(méi)有尾巴或脊柱的關(guān)節(jié)限制。無(wú)需考慮此類約束，硬件可以像陀螺儀一樣建模，并集成到標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)控制算法中。
該系統(tǒng)通過(guò)一系列成功的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試，證明了機(jī)器人從突然撞擊中恢復(fù)的增強(qiáng)能力。在模擬中，他們通過(guò)將機(jī)器人從近半米的高度倒置來(lái)模擬經(jīng)典的貓墜落問(wèn)題，RWA使機(jī)器人能夠在半空中翻轉(zhuǎn)并用腳著地。
在硬件方面，他們展示了機(jī)器人從干擾中恢復(fù)的能力-以及系統(tǒng)的平衡能力-通過(guò)機(jī)器人在6厘米寬的木制平衡木上行走約3米（9.8英尺）長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)。
曼徹斯特預(yù)測(cè)，四足機(jī)器人將很快從實(shí)驗(yàn)室的主要研究平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)閺V泛使用的商業(yè)用途產(chǎn)品。隨著繼續(xù)努力增強(qiáng)四足機(jī)器人的穩(wěn)定能力以匹配激發(fā)其設(shè)計(jì)靈感的本能四足動(dòng)物，它們可以在未來(lái)用于搜索和救援等高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景。
“四足動(dòng)物是機(jī)器人的下一件大事，”曼徹斯特說(shuō)。“我認(rèn)為未來(lái)幾年你會(huì)在野外看到更多它們。
