生物機(jī)電一體化和節(jié)能機(jī)器人國際實驗室創(chuàng)造了一個節(jié)能跳躍機(jī)器人的原型。該設(shè)計基于柔性接頭和一系列彈性執(zhí)行器。

仿生原理

由控制系統(tǒng)與機(jī)器人學(xué)院的碩士生Kirill Nasonov和Dmitry Volyansky組成的團(tuán)隊，在 ITMO 大學(xué)助理研究員Ivan Borisov 的指導(dǎo)下，正在研究具有獨特形態(tài)特征的疾馳機(jī)器人。團(tuán)隊的主要任務(wù)是開發(fā)一個輕便、靈活、節(jié)能、功能齊全的系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這一點，他們使用了仿生學(xué)和形態(tài)學(xué)計算的原理。根據(jù)伊萬鮑里索夫的說法，目標(biāo)是創(chuàng)造一種設(shè)備，它需要盡可能少的控制力(能量)，同時能夠克服不平坦的地形、克服障礙并能夠抵御物理傷害。

我們的任務(wù)是開發(fā)方法來設(shè)計能夠在非結(jié)構(gòu)化和意外環(huán)境中運行的機(jī)器人。作為方法和設(shè)計原則認(rèn)可的平臺，我們正在開發(fā)一種可以快速移動并且消耗很少能量的疾馳機(jī)器人。現(xiàn)代有腿機(jī)器人，如 Spot 或 Unitree，通?？雌饋硐褚粋€帶腿的凳子——一個絕對剛性的身體，帶有開放的運動學(xué)腿。他們已經(jīng)證明了自己的效率：他們可以走路、跑步、攀爬和做空翻，但他們也浪費了很多能量。跑步是一種周期性運動。當(dāng)它們跑步時，它們的開放式運動腿的機(jī)制會進(jìn)行振蕩運動。所以他們在跑步周期的每個階段都浪費能量：他們需要它來加速、減速、向相反方向加速、再次減速，然后循環(huán)繼續(xù)。

然而，我們想要實現(xiàn)的是節(jié)能運動。我們應(yīng)用仿生學(xué)的原理，例如，我們觀察大自然如何在數(shù)百萬年的進(jìn)化過程中解決類似的任務(wù)，并將生命系統(tǒng)的獨特特征傳輸?shù)綑C(jī)器人技術(shù)中。最節(jié)能和最明顯的運動方式之一是袋鼠跳躍。這些動物撞擊地面時，其動能轉(zhuǎn)化為儲存在肌腱和肌肉中的勢能。當(dāng)他們再次跳躍時，它又轉(zhuǎn)化為動能。我們在原型中使用了類似的原理，”Ivan Borisov 評論道。

形態(tài)設(shè)計

能源效率意味著最有效地使用有限的能源預(yù)算。為了最大限度地減少電機(jī)的控制工作，可以創(chuàng)建一個機(jī)器人，其大部分所需行為已經(jīng)存在于機(jī)械系統(tǒng)的固有動力學(xué)中，而控制算法只需要激發(fā)、穩(wěn)定和增強(qiáng)自然動力學(xué)不費吹灰之力。這種設(shè)計原理稱為形態(tài)計算，當(dāng)控制信號的計算不僅通過算法而且通過機(jī)械結(jié)構(gòu)(例如其形態(tài))進(jìn)行時。由于質(zhì)量、彈性的最佳分布和機(jī)械參數(shù)的優(yōu)化，可以用越來越少的功率電機(jī)實現(xiàn)所需的動力學(xué)。

“這個系統(tǒng)中的主要執(zhí)行器是一個拉簧：當(dāng)機(jī)器人碰到地面時，它會伸展并積累勢能，當(dāng)它再次跳起來時，儲存的能量又會轉(zhuǎn)化為動能。因此，能量得到回收，電機(jī)只需補(bǔ)償由沖擊和摩擦引起的能量損失，”伊萬鮑里索夫解釋說。

此外，機(jī)器人的身體必須輕得多，這意味著擺脫齒輪、金屬軸和軸承部件等重量元素。為了做到這一點，該團(tuán)隊使用了 ITMO 合作伙伴特溫特大學(xué)(荷蘭)的研究成果。

“我們有一個關(guān)于柔性關(guān)節(jié)的假設(shè)：它們可以以一定的角度旋轉(zhuǎn)，它們很輕，并且它們沒有摩擦和反沖。然后我們必須考慮如何設(shè)計它們。設(shè)計關(guān)節(jié)的任務(wù)非常重要——我們不能只取一些塑料零件并以一定角度連接它們——它應(yīng)該通過數(shù)學(xué)計算。特溫特大學(xué)有一個從事這一領(lǐng)域的實驗室，對我們來說幸運的是，他們的研究對公眾開放。我們可以看到他們是如何做到的，并在此基礎(chǔ)上找到我們的解決方案，”Kirill Nasonov 說。

在Dannis Brouwer 教授領(lǐng)導(dǎo)的特溫特大學(xué)實驗室，主要是為了高精度運動而合成具有柔性關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)。在 ITMO 的項目中，該機(jī)制被合成以達(dá)到機(jī)器人與環(huán)境的物理交互。關(guān)節(jié)由聚氨酯 3D 打印而成，聚氨酯是一種具有拉伸結(jié)構(gòu)的柔性塑料。它們具有幾何三部分形狀，為該機(jī)構(gòu)提供靈活性、彈性和抗變形能力。

其余部分也是塑料的：車身的元件和鏈節(jié)是用激光從聚縮醛上切割下來的，然后用塑料夾組裝在一起。

跳躍機(jī)器人不是最終產(chǎn)品，而是更多地測試形態(tài)設(shè)計方法和特別是柔性關(guān)節(jié)的對象。以前沒有以這種方式設(shè)計過類似的機(jī)器人。此外，疾馳機(jī)器人是研究控制方法以及高動態(tài)系統(tǒng)如何與環(huán)境相互作用的一個很好的例子。

“我們使用串聯(lián)彈性執(zhí)行器，并實施了一種控制方法，不是通過位置誤差，而是通過存儲在彈簧中的勢能誤差。我們團(tuán)隊的學(xué)生正處于碩士學(xué)習(xí)的第一年末，這是他們在此期間工作的結(jié)果。他們能夠在實踐中測試創(chuàng)新建模、非標(biāo)準(zhǔn)控制方法、設(shè)計、零件生產(chǎn)的技能，還掌握了對控制器進(jìn)行編程的技能，”Ivan Borisov 說。

該團(tuán)隊計劃打造一個機(jī)器人，不僅可以原地跳躍，還可以在不平坦的地形上移動。為此，他們需要合成一種能夠配置運動軌跡的更復(fù)雜的機(jī)制。

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