「夜猴」跳躍機器人驚艷全球媒體，敏捷性達到每秒1.7米

　　麻省理工科技評論2016-12-07 18:31:19機器人 操作系統閱讀(957)評論(0)

　　加州大學伯克利分校（UC Berkeley）仿生微系統實驗室（Biomimetic Millisystems Lab）研發出了一個微型跳躍機器人Salto，體重僅有100g，是目前最敏捷、跳躍能力最好的有腿跳躍機器人，平均每隔0.58秒就可以進行一次高達1米的跳躍，跳躍敏捷性為1.7 m / s。這項研究成果發表於國際著名雜誌《科學》（Science）的最新子刊《科學·機器人》（Science Robotics）的創刊號上。

　　當天，麻省理工科技評論、華盛頓郵報、路透社、每日郵報、每日電訊、南華早報、美國之音、CNET、Gizmodo、Popular Science、Engadget、Mashable、IEEE Spectrum等全球媒體紛紛刊文報道了這項技術。

　　

　　由羅納德·菲爾林（Ronald Fearing）領導的加州大學伯克利分校仿生微系統實驗室一直致力於模擬生物的操縱、運動、感知、驅動以及控制策略等特徵來從根本上改善微型機器人的性能，並以其出色的微型仿生機器人而著名。

　　其中，鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）的發明成果最多，包括奔跑機器人、帶翅膀的機器人、帶尾巴的機器人甚至帶頭髮的機器人等。霍爾丹團隊特別擅長尋找那些最有才華和能力的動物作為其仿生設計的靈感來源。Salto就是由霍爾丹團隊研發出的。

　　

　　Salto的設計靈感來自於自然界中最佳跳高運動員之一——夜猴（galago）。夜猴是一種小型的非洲靈長類動物，體重只有幾公斤，單次跳躍就能超過高高的灌木叢（約2米）。

　　

　　生物學家在十多年前才知道夜猴這種超高跳躍能力的秘訣：夜猴利用腿部結構放大其肌肉和肌腱的力量。起跳之前，夜猴會蹲伏延長起跳階段足部與地面的接觸時間，將更多力量上傳到伸展的肌腱中。這樣，比起單使用肌肉力量，這種機制能讓加速度提升15倍多。

　　研究者稱，有效的跳躍運動不僅僅指跳躍的高度，還在於跳躍的頻率。此處的「敏捷性」指的是微型機器人在不斷重複跳躍過程中能達到的跳躍高度，更專業的說法是「跳躍系統在進行重複跳躍運動時能達到的最大平均垂直速度」。所以，假設夜猴每0.78秒能夠跳躍1.7米高度，其敏捷性為2.2米每秒。

　　

　　為了達到高度敏捷性，不僅要跳的高，還要跳的頻繁。例如，瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）開發的蚱蜢仿生跳躍機器人的垂直跳躍高達1.3米，但卻只能每隔4秒跳躍一次，所以其敏捷性很低。相比之下，賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）開發的四腿跳躍機器人Ghost Minitaur跳躍高度只有0.48m，卻能夠每0.43秒跳躍一次，所以儘管其跳躍高度較低，但是其敏捷性卻較高。

　　

　　不同驅動類型的跳躍機器人系統的敏捷性：時間周期為4s，自左向右分別為並聯彈性體驅動的EPFL跳躍機器人、剛性的Minitaur機器人、串聯功率調節式驅動的夜猴仿生跳躍機器人（本文）以及動物夜猴。每個箭頭代表一次跳躍運動；箭頭右側數字分別表示跳躍高度和跳躍周期；頂部數字錶示敏捷性。

　　提升敏捷性涉及到提升跳躍高度或跳躍頻率，或著（通常）兩者都提升。夜猴雖然能夠跳的很高，但使其如此敏捷的還是其快速周而復始的跳躍能力。大多數跳躍機器人都具有低敏捷性（如EPFL蚱蜢機器人），因為其必須耗費時間收縮彈簧以便儲存足夠的能量用於再次跳躍，這當然會拉低其跳躍頻率。

　　然而，霍爾丹團隊希望設計出能夠匹敵夜猴跳躍高度和跳躍頻率的微型跳躍機器人，從而達到相似的高敏捷性。最終，研究者研發的仿生跳躍機器人敏捷性與夜猴十分接近，每隔0.58秒可以跳躍1米，敏捷性為1.7 m / s。

　　Salto的基本跳躍單元與常見的跳躍機器人類似：彈性元件，如彈簧。不同的是，Salto跳躍系統中的彈性元件（有點類似橡膠的能夠扭曲的彈簧）是串聯放置的，從而獲得串聯彈性驅動器（SEA）。串聯彈性驅動器性能很好，不僅有助於保護電機，還能進行力控制，使得跳躍系統能夠被動恢復一些能量，並且能夠進行功率調製。

　　

　　其中，功率調製非常重要。功率調製指的是一個受控（調製）的能量存儲和釋放過程。在類似Salto這樣的跳躍機器人的情況下，這意味著能夠以一個相對較長的時間向系統彈性元件輸送能量，然後以相對較短的時間釋放該能量。

　　大多數性能優異的跳躍機器人都是使用彈性驅動器來調製其供能的方式：利用馬達捲起彈簧儲存能量，然後立即釋放所有能量用以跳躍。如果能夠直接利用馬達的輸出功率，跳躍機器人的性能會更好。

　　夜猴的肌肉和肌腱就類似人工系統中的彈簧。然而，研究者實現Salto高敏捷跳躍系統主要模擬了夜猴另一提高其跳躍能力的特點：具有可變機械增益（mechanical advantage，MA）的腿。夜猴腿部的結構以及其跳躍時的技巧，使得夜猴的跳躍能力比單獨使用肌肉時獲得驚人的15倍提升！這才是研究人員為Salto尋找的秘密武器。

　　

　　功率調製模型及實例。（A）功率調製系統模型，包含串聯彈性驅動器以及機械增益（MA）模塊。（B）機器人機構的鏈接示意圖。（C）Salto跳躍機器人的整體實物圖。

　　機械增益（MA）指的就是利用槓桿（如撬棍）將較小的力和較大的運動幅度轉換為較大的力和較小的運動幅度。

　　Salto（以及夜猴和其他跳躍動物）腿部結構的獨特之處在於其機械增益是可變的：當腿蜷縮時（當機器人或動物處於蹲伏狀態時），具有非常低的機械增益；而在跳躍運動開始時，儘可能地保持低機械增益；然後，隨著跳躍運動進行和腿部伸展，機械增益迅速增加。

　　實質上，這種技巧減緩了起跳的過程，從而保證了足部與地面接觸更多的時間。霍爾丹稱夜猴的這種蹲伏狀態為「超蜷縮」（super crouch）。

　　

　　機械增益（mechanicaladvantage，MA）模塊作為腿部伸展功能。卡通圖表示機器人腿部機構完全蹲伏以及完全伸展的狀態。

　　這種基於機械增益調節的蹲伏狀態使得Salto機器人在起跳階段與地面的接觸時間增加60毫秒。雖然，60毫秒聽起來微乎其微、甚至察覺不到，但相比於不可變機械增益系統，Salto的這種可變機械增益使得通過其腿部傳輸的能量提升超過兩倍之多！相應的跳躍功率提升了接近3倍！

　　類似Salto但僅使用串聯彈性驅動器（不具備可變機械增益）的跳躍機器人能夠跳到0.75米，而Salto（具有可變機械增益）能夠跳躍高達1米。

　　

　　各種動物（藍色方塊）及機器人系統（灰色圓點）的跳躍高度增益和跳躍頻率。圖中三條灰色雙曲線分別表示三個敏捷性常數0.3 m/s、1 m/s和2m/s。紅色圓點表示伯克利研究者的微型跳躍機器人。

　　這就是Salto如此酷的地方：僅利用一個仿生動物腿部設計的小花招，就能獲得跳躍性能的巨大提升！雖然目前Salto還不能完全匹敵夜猴，但足以和牛蛙表現的一樣好（如圖紅點位置）。

　　此外，炫酷的Salto已經能夠輕鬆彈離牆面玩「跑酷」運動（Parkour）——利用垂直牆面增加Salto的彈跳高度或者改變彈跳方向。當然，你可能已經注意到Salto目前還沒有很多感知能力，其跳躍運動也是開環的。Salto利用旋轉慣性尾定位自身，但其尚不能獨立適應不同的表面。

　　研究人員稱，下一步計劃包括研究新的運動模式以及集成感測器實現多級跳躍。此外，還有可能增加一條腿（或三條腿）進行有意思的研究，但至少在近期，霍爾丹稱其將繼續挖掘單腿版本的Salto的潛力。

　　此外，值得一提的是，Salto使用的可變機械增益腿部結構能夠兼容大多數使用串聯彈性驅動器（SEA）的其他腿式機器人，如StarlETH、ANYmal或ATRIAS。這種可變機械增益結構如何提升其他平台的性能和效率，我們拭目以待。

　　編輯：李小李

　　參考：「Robotic Vertical Jumping Agility ViaSeries-Elastic Power Modulation,」 by Duncan W. Haldane, M. M. Plecnik, J.K. Yim, and R. S. Fearing from UC Berkeley, was published today in thevery first issue of Science Robotics.

　　https://www.technologyreview.com ... bot-can-do-parkour/