南航壁虎機器人，脊柱靈活彎曲，可在堅硬和軟斜坡上快速爬行
大數據文摘授權轉載自機器人大講堂
還記得那個和漫威角色同名的“毒液”材料嗎？
當時，南京航空航天大學的研究人員受壁虎啟發(fā)，用“毒液”充當機器人的“壁虎的腳”，來粘附和適應各種表面，以實現高效運動。
顯然，研究到這里還沒結束。這次，他們開始研究起了壁虎的脊柱，還開發(fā)了一款能像壁虎一樣穩(wěn)定爬坡的機器人—— Slalom ！
機器人“Slalom”可以在傾斜和柔軟的表面快速爬行，其重量僅為2.45公斤，看起來和壁虎還真挺像！爬坡時扭來扭去的樣子憨憨的還有點可愛，就是少了一條像壁虎一樣靈活的小尾巴~
模仿壁虎脊柱：從記錄真實壁虎運動數據開始
機器人的名字“Slalom”起得很有趣，中文譯名是“回轉彎”，與壁虎的彎曲脊柱對應。
壁虎的脊柱有什么特別呢？
壁虎在任何方向都能靈活穩(wěn)定地移動，這不僅僅取決于它的尾巴和粘性十足的腳，脊柱也起了關鍵性的作用：壁虎具有8-11 個活動關節(jié)的分段脊柱，可以靈活彎曲，在爬行、轉彎、跳躍、保持身體穩(wěn)定性等運動過程中可以與四肢運動相協調。
同時，壁虎在跑起來的時候，脊柱會呈現出橫向起伏模式的駐波和行波，這也增強了運動穩(wěn)定性。
為了更準確的研究這種運動，南京航空航天大學的研究人員使用高速相機記錄了真實壁虎的運動，將壁虎身體表示為笛卡爾坐標中的十個標記點，這些點被轉換為連續(xù)曲線作為身體的假設中線（身體插值），然后使用MATLAB中的多項式曲線擬合函數（polyfit）進行轉換。
經過多個關節(jié)設計的迭代評估，并協調了誤差與復雜性，研究人員最終選擇將機器人“Slalom”的脊柱設計為3個關節(jié)，這些關節(jié)可以在運動中圍繞垂直軸旋轉± 60度，彎曲體運動時，機器人可以周期性的旋轉，這能夠再現壁虎的脊柱運動。
同時，壁虎機器人的四肢設計也很重要，機器人“Slalom”的每個四肢都具有4個自由度，包括肢體與肩部/髖關節(jié)連接處的兩個、肘部/膝蓋，以及手腕/腳踝。壁虎柔順的腳趾在機器人中被簡化為由兩層組成的簡單結構，頂部由鋁制成，連接一個球關節(jié)，可為腳提供三個被動自由度，讓腳在接觸平面時可以被動的自我調整。
基于CPG的神經控制
機器人“Slalom”使用了一種基于 CPG模型的神經控制。
我們先來說說CPG是什么，全稱為Central pattern generators，中樞模式發(fā)生器，這是一種在無脊椎動物和脊椎動物中都存在的神經回路，它可以在不接收節(jié)律輸入的情況下產生神經活動的節(jié)律模式，“中樞(cenntral)”一詞表明產生節(jié)律不需要感覺反饋。
CPG模型具有分布式控制、處理冗余的能力、快速控制循環(huán)以及允許通過簡單的控制信號來調節(jié)運動，當這些性質轉化為到數學模型時，CPG就可以很好的運用于機器人的運動控制。
在機器人“Slalom”的CPG應用中，整個神經控制系統具有三個組成部分：
1.神經調節(jié)功能的 CPG 機制，用于產生不同的周期信號和分流抑制，用于改變身體關節(jié)運動；
2. CPG 后處理，用于塑造 CPG 信號以獲得平滑的關節(jié)運動；
3. 運動神經元，用于向回轉的所有關節(jié)發(fā)送最終的運動位置命令。
機器人攀爬實驗
研究人員進行了機器人“Slalom”的攀爬實驗，測試它在不同的固體和軟傾斜表面上爬行的能量效率。在運動過程中，基于 CPG 的控制，機器人可以產生小跑步態(tài)，身體擺動具有與四肢很好協調的C形駐波。
為了顯示 “壁虎脊柱”形態(tài)的有效性，研究人員還對比了脊柱可彎曲、和脊柱不可彎曲的機器人的爬坡能力。
（脊柱可彎曲機器人順利爬上25度斜坡）
（脊柱不可彎曲機器人明顯爬不動了）
“脊柱可彎曲”機器人分別攀爬傾斜達 30 度的硬表面和 25 度的柔軟表面，而在相同的傾斜表面上，“脊柱不可彎曲”機器人開始在實心坡上滑動并卡在軟坡上。
這篇文章發(fā)表在IEEE Xplore上，論文標題為：Lateral Undulation of the Bendable Body of a Gecko-Inspired Robot for Energy-Efficient InclinedSurface Climbing
從“毒液”到“壁虎脊柱”，未來，研究人員將繼續(xù)對壁虎這個可愛的小動物進行研究，同時，也會在控制系統上下功夫。
在論文的結尾，研究人員表示他們將使用具有快速學習機制的延遲線和運動前神經網絡擴展基于 CPG 的單個控制，以自動獲取多種步態(tài)和各種身體模式，這種擴展將使機器人有效地實現不同的運動模式，例如步行、游泳和攀爬；也會嘗試自適應肌肉模型來設計類似于真正的壁虎般靈活的身體的彈性特性。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9506933
點「在看」的人都變好看了哦！
轉載請在文章開頭和結尾顯眼處標注：作者、出處和鏈接。不按規(guī)范轉載侵權必究。
未經授權嚴禁轉載，授權事宜請聯系作者本人，侵權必究。
本文禁止轉載，侵權必究。
授權事宜請至數英微信公眾號(ID: digitaling) 后臺授權，侵權必究。
評論
評論
推薦評論
暫無評論哦，快來評論一下吧！
全部評論（0條）