生物機(jī)電一體化和節(jié)能機(jī)器人國(guó)際實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了一個(gè)節(jié)能跳躍機(jī)器人的原型。該設(shè)計(jì)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(duì)，在 ITMO 大學(xué)助理研究員Ivan Borisov 的指導(dǎo)下，正在研究具有獨(dú)特形態(tài)特征的疾馳機(jī)器人。團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)是開(kāi)發(fā)一個(gè)輕便、靈活、節(jié)能、功能齊全的系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們使用了仿生學(xué)和形態(tài)學(xué)計(jì)算的原理。根據(jù)伊萬(wàn)鮑里索夫的說(shuō)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(shí)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(kāi)發(fā)方法來(lái)設(shè)計(jì)能夠在非結(jié)構(gòu)化和意外環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)器人。作為方法和設(shè)計(jì)原則認(rèn)可的平臺(tái)，我們正在開(kāi)發(fā)一種可以快速移動(dòng)并且消耗很少能量的疾馳機(jī)器人?，F(xiàn)代有腿機(jī)器人，如 Spot 或 Unitree，通?？雌饋?lái)像一個(gè)帶腿的凳子——一個(gè)絕對(duì)剛性的身體，帶有開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)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(fèi)了很多能量。跑步是一種周期性運(yùn)動(dòng)。當(dāng)它們跑步時(shí)，它們的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)腿的機(jī)制會(huì)進(jìn)行振蕩運(yùn)動(dòng)。所以他們?cè)谂懿街芷诘拿總€(gè)階段都浪費(fèi)能量：他們需要它來(lái)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(shí)現(xiàn)的是節(jié)能運(yùn)動(dòng)。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(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中解決類(lèi)似的任務(wù)，并將生命系統(tǒng)的獨(dú)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(yùn)動(dòng)方式之一是袋鼠跳躍。這些動(dòng)物撞擊地面時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在肌腱和肌肉中的勢(shì)能。當(dāng)他們?cè)俅翁S時(shí)，它又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。我們?cè)谠椭惺褂昧祟?lèi)似的原理，”Ivan Borisov 評(píng)論道。

形態(tài)設(shè)計(jì)

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(gè)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(dòng)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(dòng)力學(xué)不費(fèi)吹灰之力。這種設(shè)計(jì)原理稱(chēng)為形態(tài)計(jì)算，當(dāng)控制信號(hào)的計(jì)算不僅通過(guò)算法而且通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)(例如其形態(tài))進(jìn)行時(shí)。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(lái)越少的功率電機(jī)實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)力學(xué)。

“這個(gè)系統(tǒng)中的主要執(zhí)行器是一個(gè)拉簧：當(dāng)機(jī)器人碰到地面時(shí)，它會(huì)伸展并積累勢(shì)能，當(dāng)它再次跳起來(lái)時(shí)，儲(chǔ)存的能量又會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(wàn)鮑里索夫解釋說(shuō)。

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(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)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(gè)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(méi)有摩擦和反沖。然后我們必須考慮如何設(shè)計(jì)它們。設(shè)計(jì)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(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算。特溫特大學(xué)有一個(gè)從事這一領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室，對(duì)我們來(lái)說(shuō)幸運(yùn)的是，他們的研究對(duì)公眾開(kāi)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(shuō)。

在Dannis Brouwer 教授領(lǐng)導(dǎo)的特溫特大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，主要是為了高精度運(yùn)動(dòng)而合成具有柔性關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)。在 ITMO 的項(xiàng)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(chē)身的元件和鏈節(jié)是用激光從聚縮醛上切割下來(lái)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(cè)試形態(tài)設(shè)計(jì)方法和特別是柔性關(guān)節(jié)的對(duì)象。以前沒(méi)有以這種方式設(shè)計(jì)過(guò)類(lèi)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)如何與環(huán)境相互作用的一個(gè)很好的例子。

“我們使用串聯(lián)彈性執(zhí)行器，并實(shí)施了一種控制方法，不是通過(guò)位置誤差，而是通過(guò)存儲(chǔ)在彈簧中的勢(shì)能誤差。我們團(tuán)隊(duì)的學(xué)生正處于碩士學(xué)習(xí)的第一年末，這是他們?cè)诖似陂g工作的結(jié)果。他們能夠在實(shí)踐中測(cè)試創(chuàng)新建模、非標(biāo)準(zhǔn)控制方法、設(shè)計(jì)、零件生產(chǎn)的技能，還掌握了對(duì)控制器進(jìn)行編程的技能，”Ivan Borisov 說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃打造一個(gè)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(dòng)。為此，他們需要合成一種能夠配置運(yùn)動(dòng)軌跡的更復(fù)雜的機(jī)制。

標(biāo)簽： 跳躍機(jī)器人