大阪大學(xué)機(jī)械科學(xué)與生物工程系的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的蜈蚣形機(jī)器人,并演示了該機(jī)器人曲線行走和直線行走的狀態(tài),這種機(jī)器人能夠穿越不平坦的地形進(jìn)行搜救行動(dòng)或者執(zhí)行太空中其他星球的探測(cè)任務(wù)。
地球上的很多動(dòng)物都具備很強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)能力,動(dòng)物使用它們的腿表現(xiàn)出敏捷的運(yùn)動(dòng),并表現(xiàn)出非凡的陸地機(jī)動(dòng)性以穿越不同的環(huán)境,研發(fā)人員受動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的啟發(fā),開發(fā)了許多有腿機(jī)器人,希望通過類人的運(yùn)動(dòng)方式讓機(jī)器人也可以在各種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)敏捷運(yùn)動(dòng)。
在此之前,NASA研究院也曾發(fā)布過一款巨型的蜈蚣形機(jī)器人,但NASA的機(jī)器人主要研究方向是在無傳感器依賴的極端環(huán)境下的自主導(dǎo)航,而大阪大學(xué)本次發(fā)布的機(jī)器人則更多地研究多足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性及其解決方法。
(資料圖)
盡管有腿機(jī)器人具有出色的地面機(jī)動(dòng)性,但當(dāng)工程師們嘗試模仿人類去制造雙足機(jī)器人的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn),這樣的機(jī)器人會(huì)出乎意料地脆弱,一旦雙足機(jī)器人的其中一條腿出現(xiàn)故障或損傷,就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人無法行動(dòng)。
在動(dòng)物中,蟑螂使用其六條腿表現(xiàn)出令人難以置信的敏捷運(yùn)動(dòng),蜈蚣和千足蟲在崎嶇地形上的擁有高穿越性以及對(duì)跌落和腿部故障有高容錯(cuò)度,于是研發(fā)人員們把目光轉(zhuǎn)向了多足機(jī)器人,讓機(jī)器人從雙足到多足,解決當(dāng)機(jī)器人一個(gè)腿受傷時(shí)的繼續(xù)行走的難題,多足機(jī)器人的設(shè)計(jì)可以很有效地分?jǐn)倷C(jī)器人整機(jī)重量,并且在一條腿受傷的時(shí)候仍可以繼續(xù)行動(dòng)。
雖然使用大數(shù)量的機(jī)械腿對(duì)有腿機(jī)器人有優(yōu)勢(shì),但它會(huì)使機(jī)器人身體變長(zhǎng),導(dǎo)致與環(huán)境的交互變得復(fù)雜,許多接觸腿在運(yùn)動(dòng)過程中被身體限制在地面上以支撐長(zhǎng)身體,從而阻礙了機(jī)動(dòng)性。從生物學(xué)和工程學(xué)的角度來看,使用大量腿進(jìn)行敏捷運(yùn)動(dòng)的潛力是個(gè)未知數(shù),使用大量腿的機(jī)器人的機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)仍然具有挑戰(zhàn)性。
大阪大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種仿生“myriapod”機(jī)器人,它利用了動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì),可以使機(jī)器人在直線行走和曲線行走中切換,它由六個(gè)部分和靈活的關(guān)節(jié)組成,每個(gè)部分連接兩條腿,使用可調(diào)螺釘組成的聯(lián)軸器十分靈活,可以在步行運(yùn)動(dòng)中通過電機(jī)進(jìn)行修改。
這項(xiàng)研究的關(guān)鍵是多足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性,在研發(fā)的初期,給機(jī)器人增加關(guān)節(jié)會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人直走的時(shí)候不穩(wěn)定,曲線行走也沒法準(zhǔn)確控制,機(jī)器人的可控性不高,這也是工程師們重點(diǎn)攻克的方向。隨后,研究團(tuán)隊(duì)提出了一種用于myriapod機(jī)器人機(jī)動(dòng)和高效運(yùn)動(dòng)的控制方案,在機(jī)器人在身體軸中加入了一個(gè)可變剛度機(jī)構(gòu),這使得機(jī)器人可以改變其身體軸的靈活性并控制行走過程中的分叉特性,基于這些特性開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的控制程序,便能使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)動(dòng)和自主運(yùn)動(dòng)。
這種方法不直接控制體軸的運(yùn)動(dòng),而是控制體軸的靈活性,因此可以大大降低計(jì)算復(fù)雜度和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量需求。該研究團(tuán)隊(duì)成員Shinya Aoi說:“我們的靈感來自某些極其敏捷的昆蟲的能力,這種能力使它們能夠控制自己運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性,從而引起快速的運(yùn)動(dòng)變化?!?/p>
據(jù)介紹,該機(jī)器人主要由標(biāo)準(zhǔn)金屬和直流電機(jī)組成,外表基本上都是硬的,除了身體部分偏航接頭中的扭力彈簧具有柔軟特性,然而,正是這些軟元素控制著機(jī)器人的整個(gè)動(dòng)力學(xué)并創(chuàng)造了各種類型的運(yùn)動(dòng),從而大大提高了性能,這似乎是在軟體機(jī)器人中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
在目前的硬地板上進(jìn)行的測(cè)試中,研發(fā)團(tuán)隊(duì)搜集了許多控制器對(duì)多足機(jī)器人的機(jī)動(dòng)能力以及提高運(yùn)動(dòng)效率的相關(guān)數(shù)據(jù),下一步計(jì)劃是在更復(fù)雜的環(huán)境下驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì),現(xiàn)款機(jī)器人只在部分偏航關(guān)節(jié)中有扭力彈簧,但之后會(huì)驗(yàn)證在部分俯仰和滾動(dòng)關(guān)節(jié)和腿部使用更多柔性零部件。
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