對于工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家開發(fā)新技術(shù)工具而言，自然是最大的靈感來源之一。在過去的十年左右的時(shí)間里，機(jī)器人學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了無數(shù)機(jī)器人，它們受到蛇，魚，獵豹，鳥類，昆蟲和其他動(dòng)物的行為和生物學(xué)機(jī)制的啟發(fā)。

北京理工大學(xué)的研究人員最近設(shè)計(jì)了一種新型的受生物啟發(fā)的機(jī)器人，該機(jī)器人可以使用類似尾巴的機(jī)制保持其平衡。該機(jī)器人由施普林格(Springer)在2020年中國智能系統(tǒng)會(huì)議論文集上發(fā)表的論文中介紹，由主體，兩個(gè)輪子和受尾部啟發(fā)的組件組成，可幫助其保持平衡。

機(jī)器人的“尾巴”由自適應(yīng)分層滑?？刂破骺刂?，允許它在平行于機(jī)器人車輪的區(qū)域內(nèi)沿不同方向旋轉(zhuǎn)。本質(zhì)上，該控制器定義并實(shí)現(xiàn)了類似尾巴的組件的移動(dòng)，從而確保它們在機(jī)器人導(dǎo)航周圍環(huán)境時(shí)增強(qiáng)了機(jī)器人的穩(wěn)定性。

為了使機(jī)器人在動(dòng)態(tài)或變化的環(huán)境中移動(dòng)時(shí)保持平衡，控制器使用不確定性的估計(jì)值。人造“尾巴”以特定的模式運(yùn)動(dòng)，這些模式旨在提高機(jī)器人的穩(wěn)定性，并使用所謂的Lyapunov穩(wěn)定性定理進(jìn)行計(jì)算。Lyapunov穩(wěn)定性是由俄羅斯數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家Aleksandr Lyapunov提出的描述動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論結(jié)構(gòu)。

用于平衡兩個(gè)車輪的車輛的大多數(shù)現(xiàn)有方法都是通過使用慣性測量單元(IMU)收集車輛的車身高度數(shù)據(jù)來工作的。IMU是電子設(shè)備，可以測量作用在身體或物體上的比力以及角速度，方向等。平衡兩輪機(jī)器人的常規(guī)方法機(jī)器人通過控制器組件處理IMU設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，然后相應(yīng)地實(shí)施平衡策略，通常是通過調(diào)整傾斜角度來實(shí)現(xiàn)的。

盡管這些方法中的許多方法均取得了令人滿意的結(jié)果，但研究人員提出的設(shè)計(jì)提出了一種可行的替代方案，該方案無需通過輪式電動(dòng)機(jī)來調(diào)整機(jī)器人的傾斜角度。它是現(xiàn)有的為數(shù)不多的增強(qiáng)輪式機(jī)器人平衡性的技術(shù)之一，同時(shí)考慮到了由動(dòng)物的尾巴引起的環(huán)境不確定性。

研究人員通過一系列模擬評估了類似尾巴的機(jī)器人機(jī)制的有效性。他們的發(fā)現(xiàn)很有希望，因?yàn)楫?dāng)機(jī)器人在此模擬環(huán)境中失去平衡時(shí)，人造“尾巴”能夠在大約3.5秒內(nèi)重新平衡。此外，他們發(fā)現(xiàn)他們創(chuàng)建的控制器組件對噪聲和干擾特別堅(jiān)固。

將來，該研究人員團(tuán)隊(duì)開發(fā)的類似尾巴的機(jī)制可能會(huì)被采用，以增強(qiáng)其他現(xiàn)有或新開發(fā)的機(jī)器人的穩(wěn)定性和平衡性。此外，作為這項(xiàng)研究的一部分而收集的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)啟發(fā)其他機(jī)器人專家設(shè)計(jì)類似的尾巴狀部件。

到目前為止，北京理工大學(xué)的研究人員僅在仿真中評估了他們的自動(dòng)平衡機(jī)器人，因此他們尚未確定其在有形物理環(huán)境中的有效性。在接下來的研究中，他們計(jì)劃構(gòu)建機(jī)器人的原型并進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，以測試其在實(shí)際場景中的性能。

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