Science Robotics:新型多足机器人可自行组装, 零件损坏时也能继续运动
2021-09-06
Science Robotics:新型多足机器人可自行组装, 零件损坏时也能继续运动

在自然环境中,群体昆虫(如蜜蜂、蚂蚁、白蚁等)、鱼类和鸟类等动物可以通过合作来完成生物个体难以或不可能完成的任务。受到这些集群行为的启发,许多研究人员研究了自组装或可重构的模块化群机器人,然而,由于轮式 / 履带式机器人难以克服一些足式机器人能够处理的复杂地形。

近日,美国圣母大学联合佐治亚理工学院研究出一种即可单体运动,又可以组装成多体足式机器集群系统。相关研究发表于 Science Robotics 期刊,题目为《共同完成具有挑战性动力学任务的可自主组装多足机器人群》(Self-reconfigurable multilegged robot swarms collectively accomplish challenging terradynamic tasks) 。

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动图丨无尾部机构的机器人运动(来源:Science Robotics )

研究人员在这项研究当中提出了一种四足驱动的单体机器人,内置传感、驱动和控制功能,可以进行自主移动,同时这种单体机器人能够组合成多体机器人。为了提高单个机器人在复杂地形下的运动性能,研究人员在为这种机器人设计了柔性驱动足和尾部机构。

当执行相对简单的任务,如在平坦地面上运输物体,使用单体机器人可以体现出成本优势。而当需要在复杂环境下越障和运输时,使用多体机器人更具性能优势。

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图丨研究人员所提出的机器人:(A) 单体四足机器人;(B) 由单体组装起来的多体机器人;(C) 多体机器人爬楼示意;(D) 多体机器人越障示意;(E) 在前后两个机器人运送断足机器人;(F) 多个单体四足机器人组装成多体机器人 (来源:Science Robotics )

单体机器人和多体机器人的结构设计

作者在这项研究中提出的四足机器人的灵感来自之前的研究(A systematic approach to creating terrain-capable hybrid soft/hard myriapod robots),每个单体机器人分为两段,每段都有一对驱动足,两段结构分别与伺服电机相连。

在本项研究里,单体机器人和多体机器人均使用对角线步态进行运动,而多体机器人则是由单体机器人自行组装起来的。

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动图丨单体机器人通过磁性机构组装成多体机器人(来源:Science Robotics )

为了提高稳定性,研究人员设计了一种尾部机构。尾部机构提供了额外的支撑点,可以消除机器人不必要的转弯和翻转运动。研究人 员分别对有无尾部机构的机器人运动进行了测试实验,当使用尾部机构时,机器人在每个周期下行走的位移大于无尾部机构时的位移。

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动图丨安装了尾部机构的机器人运动(来源:Science Robotics )

研究人员表示,传统上大多数足式机器人使用位置控制或扭矩控制来实现在复杂地形上的驱动,这需要使用多个传感器。然而,由于现实情况存在干扰等复杂情况,无法获得无准确的反馈。为了实现快速而稳定的驱动,需要额外的设计。

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图丨尾部机构的安装对机器人运动影响:(A) 驱动足运动时序;(B) 无尾部机构时的重心轨迹;(C) 有尾部机构时的重心轨迹;(D) 在不同的地形上机器人的运动轨迹(来源:Science Robotics )

受仿生动物启发,研究人员通过改造驱动足来提高机器人对复杂地形的适应性。这种柔性改造驱动足的优势在于能够在运动的时候保持一定的扭矩,其灵活性可以使得驱动足与地面的接触区域分布得更加有效,不会干扰步态的前提下提供强大的越障能力。

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图丨四足机器人的结构组成:(A) 单体四足机器人 CAD 模型;(B) 磁性连接机构;(C) 带复位弹簧的柔性足的工作原理;(D) 尾部机构(来源:Science Robotics )

单体和多体机器人的越障,爬楼以及崎岖地形上的运动研究

研究人员研究了单个和多体的四足机器人在复杂环境中的运动性能,包括跨越沟渠、爬楼梯和穿越复杂地形。

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动图丨单体机器人和多体机器人的爬楼对比实验:单体机器人无法跨越间隙(来源:Science Robotics )

由于机器人的重心位于双足之间,所以单体机器人卡住时,前足落入间隙,只能用后足旋转,而机器人的由于向前倾斜而无法恢复姿势。但将机器人连在一起,组装成多体机器人,可以将重心后移,合适的重量分布得以跨越沟渠。

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动图丨单体机器人和多体机器人的爬楼对比实验:多体机器人可成功越障(来源:Science Robotics )

研究人员首先测试了单个机器人在不同高度楼梯的攀爬性能。单个机器人可以成功爬上 1.25 厘米高的楼梯,而无法爬上 2.5 厘米高的楼梯上,但是多体机器人可以爬上 2.5 厘米高的楼梯。

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动图丨单体机器人不能爬越一定高度的台阶(来源:Science Robotics )

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动图丨多体机器人可以爬过同等高度的台阶(来源:Science Robotics )

为了测试多足机器人运动的鲁棒性,研究人员设置了分散的木块障碍物以模拟复杂地形。在这个开环控制实验中,单个机器人由于尾部机构或驱动足被卡住而无法继续运动。相比之下,多体机器人可以定向越过障碍物以继续运动。

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动图丨单体机器人越障被卡住(来源:Science Robotics )

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动图丨多体机器人成功越障(来源:Science Robotics )

在零件损坏时的多体机器人仍可继续运动

研究人员发现大自然中的蜈蚣可以在缺失足的情况下仍可稳定爬行。同样,在现实情况下,机器人发生的故障是有可能的。而这项研究提出的单体机器人因驱动足损坏或其他部分(驱动器或传输)出现故障,多体机器人在无人干预的前提下仍可以继续运动。

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动图丨单体机器人驱动足损坏不可正常运动(来源:Science Robotics )

研究人员将三个单体机器人组装成多体机器人,中间的是缺失驱动足的机器人,他们发现多足机器人仍可以继续运动,而且爬行速度因为摩擦力减小而有所提高。

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动图丨多体机器人驱动足损坏可正常运动(来源:Science Robotics )

单体机器人和多体机器人的应用场合

受蚂蚁觅食行为的启发,研究人员研究了机器人的集群行为,根据所需的任务,比如在不同地形时运输轻型或重型物体,所采用的机器人类型有所不同。

例如,在平坦的地面上,单体机器人可以负载约占其质量的 70% 的物体,使用单体机器人可以节省成本,而随着物体质量的增加以及路面情况变得复杂,要采用多体机器人才可以完成任务。

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图丨机器人来跨越崎岖地形运输(单体机器人用于无障碍路面的运输,多体机器人用于越障)(来源:Science Robotics )

机器人学从古至今一直是一门迷人的学科,融合了多学科的技术,吸引着古今中外众多学者的探讨研究。多足机器人作为其中重要成员之一,一直是多足移动仿生机器人的研究热点。该项研究提出的可自行组装的多足机器人,极大的增强了多足机器人的运动能力,扩展了其应用场景,具有很高的研究前景和市场前景。

参考链接:Science Robotics:新型多足机器人可自行组装,零件损坏时也能继续运动-机器人大讲堂