智東西
編譯 | 張銘灩
編輯 | 雲鵬
智東西6月30日消息，據IEEE Spectrum報導，的機器人學家受獵豹啟發，正在研究獵豹解剖學和動力學的細節，以使他們的機器人也可以具備獵豹高速的特質。野外的獵豹在狩獵中表現出了頂級捕食者非凡的靈活加速的能力和其他高速動作，學者以獵豹為靈感，研發控制腿式機器人（legged robots）的方法。
電動機械有助於將腿式機器人帶入主流，它提供了一種簡單緊湊的控制機器人肢體的方法，具有安全靈活運動所需的控制功能。大多數電動機無法提供的是與生物肌肉性能相類似所需的瞬時功率。這就是Atlas可以稱是目前最強大、最動態的機器人的原因。Atlas使用液壓執行器讓一個真人大小的機器人做後空翻，這幾乎是獲得所需動力的唯一方法。
圖為Atlas機器人
一、機器人的爆發力或許可以像獵豹一樣
受獵豹高速奔跑的啟發，南非開普敦大學的機器人專家開始試驗老式的氣動液壓執行器。通過使用氣體而不是液體作為工作流體，機器人就可以用相對簡單和廉價的形式獲得較高的力重比，並具有流體力學所缺乏的內置順應性。事實證明，如果要讓機器人像獵豹一樣奔跑，複雜的控制可能甚至沒有必要。
南非開普敦大學的阿米爾·帕特爾說到：「我們認為，快速機動可能不需要精細的力控制。」
首先，讓我們來談談液壓系統的問題，因為液壓系統複雜、昂貴，如果它們爆炸，有時會爆炸，而且會有各種各樣的混亂。儘管水力學的不順從性使它們更容易建模和控制，但問題在於實踐中不易應用。
如果你追溯到20世紀80年代，馬克·賴伯特（Marc Raibert）在麻省理工學院開發動態腿機器人時，那些跑步和跳躍機器人依賴於氣動而不是液壓，因為氣動更容易實現。
現在的機械多用液壓而不是氣動的重要原因是空氣是可壓縮的。這種機械的內置順應性很好，但會打亂大多數傳統的控制方法。
開普敦大學副教授Amir Patel解釋道：「這種制動器很難精準控制力量。液壓裝置是不可壓縮的，它的效果更好，但它比氣動裝置貴。當觀察到需要四肢進行爆發性運動的動物時，我們認為氣動裝置是一種很好的制動器。但這點經常被忽視。」
Patel在獵豹生物力學方面做了大量的研究。最近，Patel一直在研究，試圖以更真實的方式跟蹤獵豹的動態，了解它們是如何按照自己的方式移動的。但捕捉獵豹精細動作這件事非常難。這項工作仍在進行中，但Patel基於其研究提出了一種新的獵豹運動方法。Patel說：「從我們多年來在南非研究獵豹的情況來看，它們從休息狀態加速時似乎並沒有進行精細的力量控制。它們只是儘可能地用力推動，這讓我們認為像氣動這樣的開關制動器可以完成這項工作。我們認為，機器人的快速機動可能不需要精細的力控制。」
二、靈感源於獵豹的Kemba腿式機器人
Patel與同事Christopher Mailer、Stacey Shield和Reuben Govender一起製造了一個名為Kemba的腿式機器人，用以探索氣動可以提供的快速加速和機動性。Kemba的臀部採用了高扭矩準直驅電機，可實現更精準的定位，並在膝蓋上安裝了強力氣動活塞。雖然電動馬達提供了精確控制，但活塞是由簡單便宜的二進位閥控制的，可以打開或關閉。
研究人員在建模氣動執行器的複雜動力學方面付出了相當多的努力，因為需要了解氣動執行機構的工作。但是，Kemba的要求是使用氣動裝置進行爆炸驅動，從臀部的電動機獲得更精細的控制。
有了吊杆支撐，7公斤重的Kemba能夠在受控著陸的情況下反覆跳到0.5米，並達到1米的最大跳躍高度。
Patel解釋說，雖然這些跳躍高度和最高速度等指標看起來很不錯，但這並不是研究的重點內容。「對於Kemba，我們專注於運動的過渡階段，比如從靜止狀態快速加速，或者在高速步態時休息。目前大多數論文研究並沒有真正關注運動的這一階段。我希望更多的實驗室能夠公布他們在這一領域的結果，這樣我們就可以獲得一些指標（和數據）進行比較研究。」
圖為Kemba腿式機器人
第一作者Christopher Mailer表示，Patel最終希望Kemba成為生物學家可以用來了解動物運動生物力學的平台，但在可預見的未來，它可能會保持束縛。「很多人問我們什麼時候會將Kemba做成完整的機器人，或者Kemba攜帶壓縮機是否現實。但我們製造Kemba的目的主要是執行和學習仿生運動，而不是專注於機載動力或自主性。」
未來Kemba會有新的升級。它的脊椎和尾巴正在研發中，這兩者都將提供新的自由度，讓機器人行為更生動。當然，想讓腿式機器人接近真正的獵豹，還有很長的路要走。氣動方法有其前景，或者說，任何有可能降低腿式機器人成本的方法都可以納入考慮。
結語：生物行為可以成為腿式機器人的研究靈感來源
力量控制是腿式機器人領域的關鍵技術之一。控制是腿式機器人穩定和靈活運動的基礎。腿足機器人的控制方法靈感可以來源於生物模型分析。
基於對生物行為的學習可以探索機器人如何模擬生物的運動爆發力，獲得新的運動技能，實現預期的運動能力。