美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的機(jī)器人研究所（RI）研究團(tuán)隊開發(fā)了一項先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)能使現(xiàn)有的四足機(jī)器人在狹窄的平衡木上靈活行走。此項技術(shù)或許是此領(lǐng)域首個此類研究。

扎卡里-曼徹斯特（Zachary Manchester），機(jī)器人探索實驗室的負(fù)責(zé)人以及機(jī)器人研究所的助理教授，激動地表示：“這次實驗具有重大意義。以前我認(rèn)為從未有人成功讓機(jī)器人完成過平衡木上行走的挑戰(zhàn)。”

曼徹斯特和團(tuán)隊通過借用通?？刂铺招l(wèi)星的硬件，消除了四足機(jī)器人設(shè)計中的現(xiàn)有限制，并增強(qiáng)了其平衡能力。許多現(xiàn)代四足機(jī)器人具有一個軀干和四條腿，腿端的圓形腳使其能在平坦表面上行走，甚至爬樓梯。然而，與四足動物（例如獵豹和落水貓）相比，四足機(jī)器人缺乏本能的敏捷性。

四足機(jī)器人只要三只腳與地面接觸就能避免傾倒。如果只有一只或兩只腳著地，機(jī)器人則難以糾正干擾，傾倒風(fēng)險增加。由于平衡問題，其在崎嶇地形上的行走尤為困難。

曼徹斯特解釋說：“在現(xiàn)有的控制方法下，四足機(jī)器人的身體和腿是分離的，不能相互協(xié)調(diào)。我們怎么能改善它們的平衡呢?”

研究團(tuán)隊的解決方案使用了一種名為反作用輪致動器（RWA）的系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在四足機(jī)器人的背部。借助新型控制技術(shù)，RWA可以使機(jī)器人保持平衡，而不受其腳的位置影響。RWA在航空航天業(yè)中廣泛應(yīng)用，用于通過操縱角動量對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制。

曼徹斯特進(jìn)一步解釋說：“你基本上有一個連接電機(jī)的大飛輪。讓沉重的飛輪朝一個方向旋轉(zhuǎn)，就會讓衛(wèi)星朝相反方向旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在把這個技術(shù)應(yīng)用在四足機(jī)器人上?！?/p>

研究團(tuán)隊在商用Unitree A1機(jī)器人上裝了兩個RWA進(jìn)行原型設(shè)計，從而控制機(jī)器人的角動量。通過RWA，機(jī)器人的腿是否與地面接觸不再重要，因為RWA可以獨立控制機(jī)器人身體的方向。

曼徹斯特強(qiáng)調(diào)，改變現(xiàn)有的控制框架以適應(yīng)RWA相對容易，因為硬件不會改變機(jī)器人的質(zhì)量分布，并且沒有尾巴或脊柱的關(guān)節(jié)限制。沒有這些限制，硬件就可以像陀螺儀一樣建模，并集成到標(biāo)準(zhǔn)的模型預(yù)測控制算法中。

該研究團(tuán)隊通過一系列成功的實驗測試了他們的系統(tǒng)，證明了機(jī)器人從突然撞擊中恢復(fù)的能力得到了增強(qiáng)。他們在模擬實驗中模擬了經(jīng)典的“落貓”問題，將機(jī)器人從近半米的高度倒掛下來。RWA使機(jī)器人能夠在半空中調(diào)整方向，雙腳著地。在現(xiàn)實操作中，他們通過讓機(jī)器人沿著6厘米寬的平衡木行走的實驗，展示了機(jī)器人從干擾中恢復(fù)的能力和系統(tǒng)的平衡能力。

曼徹斯特預(yù)測，隨著人們對增強(qiáng)四足機(jī)器人穩(wěn)定能力的持續(xù)努力，使之與激發(fā)其設(shè)計靈感的四足動物的本能相匹配，四足機(jī)器人未來可能會像10年前的無人機(jī)一樣，從主要的實驗室研究平臺過渡到廣泛的商業(yè)用途產(chǎn)品。四足機(jī)器人有望在搜救等高風(fēng)險場景中得到應(yīng)用。