機器狗逐漸“貓化”，利用簡單的反射電路和肌肉重現讓機器狗走貓步！
大數據文摘授權轉載自機器人大講堂
讓機器狗走貓步，是種什么樣的體驗？
有位日本小哥有話要說，他發明了一只長47厘米，重7.6公斤的機器狗，外表平平無奇，卻在跑步機上走起了貓步。
有人質疑“這哪像貓步了？和其他的機器狗走路沒兩樣啊！”
其實，看似平凡的步伐，實則暗藏玄機。
它沒有用諸如波士頓動力般復雜的算法構架，而是復刻了貓咪走路時的反射行為，利用動物神經和肌肉的特征讓機器狗逐漸“貓化”。
不僅如此，還在《Frontiers in Neurorobotics（神經機器人學 前沿）》上發表了論文。
復刻貓咪，走出六親不認的步伐
想走貓步，得先知道貓是怎么行走的。
當貓咪的jiojio踏在地面時，膝蓋肌肉受到力，腰部就會向后移動；腰部肌肉受到力的話，膝蓋則會伸長，兩個部位之間發生自動聯動，“六親不認”的步伐就這樣走起來了。
從膝蓋延伸到腰部的回路，反過來從腰部延伸到膝蓋的回路，這種交叉發揮作用在研究中被稱為“反射回路”，它可以產生穩定的步態和腿部運動軌跡。近年來的研究也表明，貓咪行走時不需要大腦內部神經的復雜交互，而是利用這種反射回路來進行穩定的運動。
反射電路與肌肉特性的再現
那么問題又來了，機器狗又沒有肌肉，也沒有神經，怎樣將這種“反射回路”運用在機器狗身上呢？
這里主要解決兩個問題，首先，是肌肉特性的建模。
日本小哥利用了希爾肌肉模型，來重現機器狗的肌肉特征。
在模型中，機器狗的兩條腿重現了具有虛擬旋轉髖關節和臀部與腳之間的線性關節，伸肌和屈肌放置在每個虛擬關節上，虛擬旋轉關節和線性關節的肌肉分別對應于貓咪的腰部肌肉和膝蓋肌肉。
重現了肌肉模型后，就要建立機器狗的腰部和膝蓋伸肌之間的“反射回路”模型。
日本小哥在肌肉模型中嵌入了興奮性反射通路，如果膝蓋關節接收器感測到地面反作用力，則肌肉會將信號延伸到腰部接收器；反過來，如果腰部伸肌完全伸展并產生張力，則肌肉會“感受”到信號啟動，傳遞給膝蓋關節，進行姿勢的轉變。
機器狗的“貓步”步行實驗
來吧，模型都建好了，跑步機上走起來！
把機器狗放在跑步機上，無需按開關，腳上的接收器一旦獲得地面的反作用力，立刻激活反射電路。
剛開始的兩步有點跌跌撞撞，不過越走越穩定。
機器狗安裝了微控制器（Teensy 3.6）提供高級控制，從電動機驅動器接收到的角度信息來模擬虛擬肌肉和反射電路，并命令目標轉矩將其特性再現給電動機驅動器。
當切斷機器狗的反射回路后，狗的行走就會變得不穩定，發生了腳無法從地面抬起的現象。
讓機器狗走貓步的這位日本小哥是大阪大學機械工程系的碩士研究生，他表示：“大部分的四足機器人的穩定行走都利用了中央發射器（CPG），我們的研究證明，新穎的反射電路也能給“機器狗”穩定的步態，實現能夠像動物一樣高效靈活地移動的機器人?！?/p>
【參考鏈接】
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnbot.2021.636864/fullhttps://www.youtube.com/watch?v=-iLHRhvDccA
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