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2019-11-07 15:44:12

迷你猎豹是第一个做后空翻的四足机器人

麻省理工学院的新型迷你猎豹机器人脚部有弹性且轻盈,其运动范围可与冠军体操运动员相媲美。四脚动力单元可弯曲并摆动其腿部,使其能够向右或向上行走。机器人也可以在不平坦的地形上小跑,大约是普通人行走速度的两倍。

重量仅为20磅 - 比一些感恩节火鸡轻 - 四肢四足动物没有任何推动力:当被踢到地面时,机器人可以通过其肘部的快速,功夫式摆动迅速恢复原状。

也许最令人印象深刻的是它能够从站立位置执行360度后空翻。研究人员声称,迷你猎豹被设计成“几乎坚不可摧”,即使后空翻在漏油事件中也能恢复。

如果肢体或马达断裂,迷你猎豹的设计考虑到模块化:每个机器人的腿都由三个相同的低成本电动马达驱动,研究人员使用现成的部件进行设计。每个电机都可以轻松换成新电机。

麻省理工学院机械工程系的技术助理,首席开发人员Benjamin Katz说:“你可以将这些部件放在一起,就像乐高积木一样。”

研究人员将于5月在国际机器人与自动化大会上展示迷你猎豹的设计。他们目前正在建造更多的四足机器,目标是10台,他们希望每台机器都借给其他实验室。

“我们制造这种机器人的原因很大一部分就是它让它变得如此容易实验并且只是尝试疯狂的东西,因为机器人非常坚固并且不易破损,如果它确实破坏了,它很容易而且不是很昂贵“修理,”卡茨说,他是机械工程副教授Sangbae Kim实验室的机器人。

Kim表示,将迷你猎豹借给其他研究小组可以让工程师有机会在高度动态的机器人上测试新的算法和机动,而这些机器人可能无法获得。

“最终,我希望我们可以通过一个障碍赛道进行机器狗赛,每个团队使用不同的算法控制迷你猎豹,我们可以看到哪种策略更有效,”金说。“这就是你加速研究的方式。”

“动态的东西”

迷你猎豹不仅仅是其前身Cheetah 3的微型版本,它是一个庞大,重型,强大的机器人,通常需要用系绳稳定,以保护其昂贵的定制设计部件。

“在Cheetah 3中,一切都是超级集成的,所以如果你想改变一些东西,你必须进行大量的重新设计,”Katz说。“对于迷你猎豹,如果你想增加另一只手臂,你可以添加三到四个这些模块化电机。”

Katz通过将部件重新配置为通常用于无人机和遥控飞机的小型商用电机,提出了电动机设计。

每个机器人12的马达大约是梅森罐盖的大小,并且包括:定子或一组线圈,其产生旋转磁场;一个小型控制器,用于传递定子应产生的电流量;转子,内衬磁铁,与定子的磁场一起旋转,产生扭矩以提升或旋转肢体;齿轮箱,齿轮减速比为6:1,使转子提供的扭矩是正常扭矩的六倍;和位置传感器,测量电机和相关肢体的角度和方向。

每条腿由三个马达提供动力,使其具有三个自由度和大范围的运动。轻量化,高扭矩,低惯性设计使机器人能够执行快速,动态的操作,并在不破坏齿轮箱或四肢的情况下对地面施加高力冲击。

“它可以在地面上改变力量的速度非常快,”卡茨说。“当它正在运行时,它的脚只能在地面上一次150毫秒,在此期间,计算机会告诉它增加脚上的力,然后将其改变为平衡,然后降低该力,以便快速提升所以它可以做一些非常有活力的东西,比如每一步跳到空中,或者一次只跑两脚。大多数机器人不能这样做,所以移动得慢得多。

乐死了;失控;疯掉

工程师通过一系列操作来操作迷你猎豹,首先通过麻省理工学院Pappalardo实验室的走廊以及Killian Court略微不平的地面测试其跑步能力。

在这两种环境中,四足动物以每小时约5英里的速度行进。机器人的关节能够以两倍的扭矩旋转三倍,Katz估计机器人可以通过一点调整快速运行两倍。

该团队编写了另一个计算机代码,指导机器人在各种类似瑜伽的配置中伸展和扭曲,展示其运动范围以及旋转其四肢和关节同时保持平衡的能力。他们还对机器人进行编程,以便从意外的力量中恢复,例如向侧面踢。当研究人员将机器人踢到地面时,它会自动关闭。

“它假设出现了一些可怕的错误,所以它只是关闭了,所有的腿都飞到了任何地方,”卡茨说。

当它接收到重新启动的信号时,机器人首先确定其方向,然后执行预编程的蹲下或肘部摆动操作以使其自身处于四肢状态。

Katz和合着者Jared Di Carlo是电气工程和计算机科学系(EECS)的本科生,他想知道机器人是否可以进行更具冲击力的机动。受到EECS教授Russ Tedrake教授的去年课程的启发,他们开始编写迷你猎豹编程来执行后空翻。

“我们认为这将是对机器人性能的良好测试,因为它需要大量的动力,扭矩,并且在翻转结束时会产生巨大的影响,”Katz说。

该团队编写了一个“巨大的,非线性的,离线轨迹优化”,其中包含了机器人的动力学和执行器功能,并指定了一个轨迹,在这个轨迹中,机器人将以一定的,正面朝上的方向开始,并最终翻转360度。然后,他们开发的程序解决了需要应用于每个关节的所有扭矩,从每个单独的马达,以及在开始和结束之间的每个时间段,以便执行后空翻。

“我们第一次尝试它,奇迹般地工作,”卡茨说。

“这非常令人兴奋,”Kim补充道。“想象一下猎豹3做后空翻 - 它会崩溃,可能会破坏跑步机。我们可以用台式机上的迷你猎豹做到这一点。”

该团队正在建造大约10个迷你猎豹,每个猎豹计划借给合作团体,而Kim打算组建一个迷你猎豹研究联盟的工程师,他们可以发明,交换甚至与新想法竞争。

与此同时,麻省理工学院的团队正在开发另一种甚至更具冲击力的机动。

“我们现在正在着陆控制器上工作,我的想法是,我希望能够拿起机器人并扔掉它,然后让它落地,”Katz说。“假设您想将机器人扔进建筑物的窗户,让它在建筑物内探索。你可以这样做。”

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