UC Berkeley 的 Ron Fearing 微型仿生系統(tǒng)實驗室以研發(fā)穩(wěn)定性良好的仿生機器人而聞名，Duncan Haldane 則是這個實驗室的主要負責人。Duncan Haldane 的主攻方向包括奔跑機器人、帶翅膀的機器人、有尾巴的機器人，甚至還有一些有頭發(fā)的機器人。Haldane 和實驗室其他組員尤其擅長在一些最具創(chuàng)造力和實力的動物中尋找靈感，并將它融入在機器人設計之中。

動物界中最具有跳躍天賦的機器人叫作夜猴，毛茸茸的它還有另一個名字——嬰猴。這是一種生活在非洲的動物，雖然本體只有幾公斤重卻能一個起跳就越過兩米高的灌木叢。對于這種驚人的彈跳下蘊藏的秘密，生物學家十年前有了一些揭示：夜猴利用自己的腿部結構放大肌肉和肌腱的力量。在剛剛發(fā)布的全新版《機器人科學》期刊中，Haldane 與 M. M. Plecnik、J. K. Yim 、R. S. Fearing 聯合展示了一款只有 100 g 重但彈跳驚人的機器人設計——他們利用夜猴的彈跳秘密成功研發(fā)出前所未有的敏捷的機器人。

彈跳的有效運動絕不僅僅在于你能夠跳的多遠——更關鍵的也在于你能達到的彈跳頻率。研究者們提到的“敏捷度”是指機器人在不斷跳躍過程中能達到的跳躍高度，更專業(yè)的說法是“跳躍系統(tǒng)在不斷重復跳躍時能達到的最大平均垂直速度”。如果是夜猴，0.78  秒的時間內能跳到 1.7 米的高度，那么敏捷度就是 2.2 m/s。

高度靈活不僅要求要跳的高，還意味著要加快彈跳的頻率。瑞士洛桑聯邦理工大學研發(fā)的蚱蜢仿生機器人雖然可以跳到 1.3 米，但卻只能每 4 秒跳一次，因此它的靈活度就很低。從另一個角度來講，Minitaur 雖然只能跳到 0.48 米的高度，但這個動作每 0.43 秒就能完成一次，所以即使彈跳并不怎么高，它的敏捷度還是不錯的。

圖1： 4秒為一個跳躍周期，自左向右分別為并聯彈性 EPFL 跳躍機器人、剛性 Minitaur 機器人、串聯功率調節(jié)式夜猴仿生跳躍機器人（本文講述的）以及動物。每個箭頭代表一次跳躍；每一類型的右側數字表示跳躍高度和跳躍周期

敏捷度的增加意味著要有更高的彈跳高度、更快的彈跳頻率，或兩者兼有。夜猴可以跳得更高，但是他們擁有極高敏捷度的原因則是他們不停地跳躍。大多數跳得高的機器人靈活度都不太好，因為他們往往需要蓄力才能保證再一次起跳，這樣一來彈跳頻率自然就會受到影響。Berkeley 的研究者們想要一臺可以媲美夜猴，兩者兼顧的機器人。最終，研究者研發(fā)出了與夜猴十分接近的仿生跳躍機器人，0.58 秒內跳到 1 米高度的能力使得敏捷度能達到 1.7 m/s 。

Salto 跳躍所需的基本器件是一個類似彈簧的彈性元件。不同的是，Salto跳躍系統(tǒng)中的彈性元件有點像能夠扭曲的橡膠，是串聯放置的，這樣才能獲得串聯彈性驅動器（ SEA ）。串聯彈性驅動器性能很好，它不僅能夠保護電機，還能控制具體的力量大小，這樣就使得跳躍系統(tǒng)能夠被動恢復一些能量，并且進行功率調制。

最后一個尤為重要的點在于，功率調制器是一個受控（調制）的能量存儲和釋放器件。對 Salto 這樣的跳躍機器人就意味著它能夠在一個較長的時間內向彈簧輸入能量，然后在（相對）短的一段時間內進行釋放。大多數比較成功的跳躍式機器人使用彈性驅動器來調節(jié)所需要的力量大?。豪秒姍C卷起彈簧，然后借助所有聚集的能量奮力一跳，機器人如果單純依賴電機輸出能量的話，他們的力量性能會更好。

夜猴的肌肉和肌腱就相當于我們說的彈簧。然而，Berkeley 研究者在 Salto 中實際模擬的是夜猴的另一種跳躍特性：它的可變機械優(yōu)勢的腿。夜猴的腿部形態(tài)與跳躍技巧，能夠使得夜猴的跳躍能力比單獨使用肌肉時提升了 15 倍——這才是研究者開展 Salto 研究的真正目標所在。

功率調制模型及實例。（A）包含串聯彈性驅動及MA模塊的功率調制系統(tǒng)模型。（B）機器人機械連接示意圖。（C）Salto 跳躍機器人的整體實物圖。

機械效益通常發(fā)生在利用杠桿（如撬棍）將較小的力和較大的運動轉換為較大的力和較小的運動時。Salto 的腿（夜猴和其他跳躍動物的腿同理）的獨特之處在于它的機械效益是可變的：機器人或動物蹲下，腿呈收回狀態(tài)時，機械效益很低。但進行跳躍運動時，機械效益會盡可能長地保持較低水平，并在跳躍運動進行中腿部伸展時快速增加?；旧现v，這減慢了跳躍的起飛速度，也讓腳能有更長的時間與表面接觸。Haldane 將這種狀態(tài)稱為“超蜷縮狀態(tài)”。

機械效益作為腿部伸展功能模塊。能量儲存與返回階段的各自平均值。卡通圖表示機器人腿部完全蹲下以及完全伸展的狀態(tài)。

這種具備機械效益的下蹲會使 Salto 在跳躍的起飛階段與表面接觸的時間增加 60 毫秒。聽起來可能并沒有那么多，觀察機器人的行動時也幾乎是看不到的。但相比于不可變機械效益而言，Salto 的這種特性可以使通過其腿部傳輸的能量提升兩倍不止，跳躍功率也會提升將近 3 倍。僅使用一系列彈性致動器的 Salto 機器人就能夠跳到 0.75 m，而 Salto 本身（具有可變的機械效益腿）更是可以跳到 1 米之高。這就是發(fā)生在 Salto 的酷事：這種巨大性能提高得感謝仿生動物腿部設計小細節(jié)。雖然目前它還不能與夜猴相比，但它卻足以和牛蛙表現的一般優(yōu)秀。我想 Salto 另一個很酷的方面就是，它已經能夠利用垂直墻面增加 Salto 的彈跳高度或者改變彈跳方向來玩“跑酷”了。你可能注意到 Salto 目前還不具備很多感知能力，它的跳躍也都是開環(huán)的。他可以使用旋轉慣性尾進行自身定位，但尚且不能適應不同的表面。

研究人員將要開展的下一步工作包括調查新的運動模式，當然也會將多個跳躍鏈接在一起，還有可能添加另一條腿（或三條腿）來看看會發(fā)生什么，但至少在近期，Haldane 說他想看看單腳版本的 Salto 到底能夠發(fā)展成什么樣子。

另外值得一提的是，Salto 的多變式機械腿適用于使用 SEA 的其他有腿式機器人，如 StarlETH，ANYMAL或 ATRIAS。如果來看看這個想法如何提高其他平臺的性能和效率的話，我們是很有興趣的。

via：ieee

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