智東西（公眾號：zhidxcom）
編 | 董溫淑
智東西 6 月 2 日消息，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題。在近日舉辦的 ICRA 2020 會議上，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)地跳躍到一個狹窄的支架上，著陸時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)域最具影響力的國際會議之一，由 IEEE 機(jī)器人與自動化協(xié)會舉辦。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
一、用基于角動量的控制器設(shè)置機(jī)器人落地角度
論文分析了現(xiàn)有的從靜態(tài)開始跳躍的機(jī)器人、跑步機(jī)器人、多自由度機(jī)器人。通過這項(xiàng)工作，研究人員發(fā)現(xiàn)了這些解決方案存在的問題。
初始狀態(tài)為靜態(tài)的機(jī)器人在跳躍之前，一般會進(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，但是無法控制機(jī)器人的著陸姿勢。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)⑻S動作融合到步態(tài)中，但是無法設(shè)置著陸、停止跑動時的姿勢。
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量的傾斜控制器來提升跳躍機(jī)器人跳躍到指定位置的準(zhǔn)確性和著陸時的平衡性。
研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人以一定的角度著陸時，他們的落地動作會產(chǎn)生大量的角動量。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。
二、Salto-1P：體長 0.313 米的點(diǎn)足機(jī)器人
研究人員將基于角動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）、腿部電動機(jī)（leg motor）、足部等。
Salto-1P 采用點(diǎn)足（point foot），同時腿部設(shè)置有兩個 腳趾 。研究人員稱，當(dāng) Salto-1P 蹲下時，其腿部的兩個 腳趾 能夠接觸到地面，這可以增大機(jī)器人著陸時的力矩、使機(jī)器人著陸更加平穩(wěn)。
▲ Salto-1P 示意圖
Salto-1P 體長約為 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測量重心位移、起跳速度等運(yùn)動參數(shù)。測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運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，用其測量機(jī)器人跳躍運(yùn)動的水平距離等參數(shù)。
三、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，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)器人的跳躍高點(diǎn)比起跳點(diǎn)高 0.571m（正好是兩倍機(jī)器人體長），水平位移為 32.6cm。機(jī)器人跳躍時的加速度被規(guī)定為 30rad/s2、跳躍時間為 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：未來機(jī)器人或能在柔軟、光滑表面上著陸
從 2016 年以來，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，研究人員通過部署一個基于角動量的傾斜控制器，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)跳躍動作時，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。
文章來源：IEEE Spectrum、IEEE Xplore
重慶分公司
重慶分公司
