對于大多數(shù)機(jī)器人粉來說，提到四足機(jī)器人，相信許多人首先想到的首先是波士頓動力的機(jī)器人狗。
波士頓動力創(chuàng)立于1992年，是全世界腿足機(jī)器人的先驅(qū)者。在四足機(jī)器人領(lǐng)域，瑞士公司ANYbotics是波士頓動力的有力競爭對手，ANYbotics的ANYmal一直是完全不輸波士頓動力SpotMini機(jī)器狗的存在。
ANYbotics由一群蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師于2016年成立。它是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的衍生公司，因推出機(jī)器人ANYmal而聞名。
ANYmal此前已經(jīng)推出能行走的無輪版本四足機(jī)器人，它靠四條機(jī)械腿行走，能穿越不平坦的地形，也能爬樓梯。最近研究團(tuán)隊(duì)就為機(jī)器人添加了一組實(shí)用的輪子。
據(jù)悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)自2018年以來一直在與ANYbotics公司實(shí)驗(yàn)輪式機(jī)器人，在新的原型中，研究人員為機(jī)器人的每只腳裝上四個(gè)裝有輪轂電機(jī)的輪子。
這種輪足復(fù)合式移動機(jī)器人結(jié)合了輪式機(jī)器人在平坦路面上的高效率，和足式機(jī)器人在崎嶇路面上的越野能力。
分揀機(jī)器人的3d視覺系統(tǒng)穿著輪滑鞋的人和輪子驅(qū)動的機(jī)器人之間有一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，機(jī)器人可以對輪子施加控制，其細(xì)微的差別是人類永遠(yuǎn)無法比擬的。我們已經(jīng)在波士頓動力公司的兩輪人形機(jī)器人Handle上看到了這一點(diǎn)，盡管到目前為止，Handle似乎還沒有充分利用它的這雙有腿的潛力。
“輪子機(jī)器人”可像溜冰一樣滑動
此前波士頓動力為開發(fā)市場，給Handle輪式機(jī)器人已經(jīng)定下方向。而對于輪式機(jī)器狗的探索任務(wù)，則落在ANYmal等創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)身上。
中國郵政分揀機(jī)器人分揀機(jī)器人如何識別快遞包裹智能分揀機(jī)器人的發(fā)展規(guī)化蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院ANYmal的研發(fā)團(tuán)隊(duì)很早就給他們的機(jī)器狗裝了四個(gè)輪子。當(dāng)時(shí)只公布了這四只腳底的輪子能夠像溜冰一樣滑動，還會在震動環(huán)境下匍匐前進(jìn)。
此外，ANYmal能在保持身體重心的情況下，過“單邊橋”。
最近，該團(tuán)隊(duì)就這款機(jī)器人發(fā)布了更多視頻，證明輪足版ANYmal的已經(jīng)更加成熟和穩(wěn)定。不過，裝有固定輪子的ANYmal并沒有喪失作為腿足機(jī)器人的步行能力，它依然能在“穿著輪滑鞋”的前提下步行完成一些移動、調(diào)整方向等任務(wù)。
據(jù)相關(guān)研究人員介紹，帶輪子的ANYmal與其他輪足式機(jī)器人相比，能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的動態(tài)運(yùn)動，運(yùn)輸成本上還可降低83％，與其腿式機(jī)器人相比有明顯的優(yōu)越性。
在2019年的DARPA機(jī)器人地下挑戰(zhàn)賽中，ANYmal腳踩“風(fēng)火輪”，跨越障礙的能力非常強(qiáng)。這意味著，它跨越障礙的能力比輪式機(jī)器人強(qiáng)，同時(shí)又比腿式機(jī)器人走得快，當(dāng)時(shí)，研究人員表示它是全球首個(gè)應(yīng)用在實(shí)際任務(wù)中的輪式-腿式混合驅(qū)動機(jī)器人。
在最近公布的視頻中，ANYmal輪足機(jī)器人四個(gè)腿部和四個(gè)輪子與它進(jìn)行的每個(gè)動作已經(jīng)無縫地融合在一起，研究人員還設(shè)計(jì)了能在車輪模式和行走模式之間切換的算法，ANYmal的速度和穩(wěn)定性也得以提高。
輪子和腿加在一起會產(chǎn)生什么作用？
要了解為什么輪子和腿加在一起會對機(jī)器人的移動性產(chǎn)生如此大的改變，我們可以看看是如何運(yùn)作的。
圖|ANYmal輪足機(jī)器人展示最佳混合步態(tài)
這種輪足機(jī)器人不僅能夠成功克服斜坡、樓梯等輪式機(jī)器人的障礙，而且在速度上也超過了四足機(jī)器人。
ANYbotics公司的四足機(jī)器人ANYmalC能夠在動態(tài)人類環(huán)境中高度自主地執(zhí)行任務(wù)。還具有同步定位和地圖繪制功能，并且可以部分避免意外的障礙，這是因?yàn)槠淞Ⅲw光學(xué)攝像頭可提供360度視野的深度信息，激光雷達(dá)系統(tǒng)可提供額外的環(huán)境數(shù)據(jù)，并給機(jī)器人在100米范圍內(nèi)導(dǎo)航。
而這次的輪足版ANYmal是一個(gè)“盲眼”機(jī)器人，不需要任何攝像頭或激光雷達(dá)，就可以動態(tài)選擇最佳的混合步態(tài)，將輪子滾動和腿的踏步的融合，只是根據(jù)對車輪下的地形的感覺，它可以根據(jù)每條腿的輪子運(yùn)動的效用，在滾動和步態(tài)之間無縫轉(zhuǎn)換。
如果一個(gè)輪子效率不高，車載傳感器和運(yùn)動計(jì)劃微控制器可以選擇性地控制每個(gè)車輪的扭矩，將這條腿切換到踏步運(yùn)動，同時(shí)保持與其他腿的協(xié)調(diào)?？偟膩碚f，這使得ANYmal的這種輪足機(jī)器人移動速度更快，而不會降低其應(yīng)對復(fù)雜地形的能力，并且降低了運(yùn)輸成本，因?yàn)闈L動比步行的效率高得多。該機(jī)器人可以在達(dá)到4米/秒的速度下實(shí)現(xiàn)高度動態(tài)的運(yùn)動，作為對比，已經(jīng)開始對外銷售的四足無輪機(jī)器人ANYmalC，移動速度為1米/秒。
圖|ANYmalC
分揀機(jī)器人有哪些ANYmal機(jī)器人還能夠根據(jù)特定的情況切換腿部/輪子的運(yùn)動方式：它可以根據(jù)輪子上的電力“安培”或是否有障礙物來切換到腿部運(yùn)動。這款機(jī)器人也是非常小巧，保持了與其他四足機(jī)器人相似的外觀。
圖|早期原型，會滑冰的ANYma
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的MarkoBjelonic是負(fù)責(zé)這次研究的科研人員之一，他表示他們可以做到通過程序自動找到周期性步態(tài)序列，而不需要預(yù)先定義步態(tài)時(shí)序。根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前的情況，每條腿都能自行推理出何時(shí)是抬離地面的好時(shí)機(jī)，這種方法在崎嶇不平的地形中效果相當(dāng)好。
閃兔分揀機(jī)關(guān)于未來是否會為這種輪足機(jī)器人裝飾傳感器來識別地形，Marko表示這次提交的論文只是基于機(jī)器人本體感覺信號，即沒有使用地形感知來根據(jù)環(huán)境進(jìn)行步態(tài)轉(zhuǎn)換。他們很驚訝這個(gè)框架在平坦和不平坦的地形上都已經(jīng)有了很好的效果。但他們目前正在研究一種擴(kuò)展，即在前期根據(jù)地形，讓機(jī)器人規(guī)劃步態(tài)序列。這種地形響應(yīng)的擴(kuò)展能夠處理更復(fù)雜的障礙物，比如樓梯。
圖|輪足也能行走自如
他表示，目前的輪子不能轉(zhuǎn)向，這是一個(gè)好的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@樣機(jī)器人就不得不探索混合滾輪和行走的運(yùn)動。從應(yīng)用的角度來看，輪子可以轉(zhuǎn)向，可能是有益的。他們已經(jīng)分析了腿部配置和每條腿的致動量，可以旋轉(zhuǎn)機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展，在不增加機(jī)器人復(fù)雜度的情況下，增加了機(jī)器人的機(jī)動性。
Marko還認(rèn)為，有腿部機(jī)器人都應(yīng)該有輪子，輪足機(jī)器人在未來會更加普遍。在自然界中沒有這種運(yùn)動方式，使得設(shè)計(jì)輪足機(jī)器人更具挑戰(zhàn)性，這可能也是沒有出現(xiàn)類似生物的原因之一。目前只有少數(shù)腿輪機(jī)器人平臺，例如，滾輪行走的ANYmal、CENTAURO機(jī)器人和波士頓動力公司的Handle，但隨著目前這一領(lǐng)域的進(jìn)步，會有更多類似的概念機(jī)器人出現(xiàn)。
關(guān)于未來，該團(tuán)隊(duì)正在研究一個(gè)框架，使機(jī)器人能夠在地面和具有挑戰(zhàn)性的障礙物上進(jìn)行更復(fù)雜的運(yùn)動。這里的挑戰(zhàn)是如何為這樣的高維問題找到最佳的機(jī)動性，以及如何在真實(shí)機(jī)器人應(yīng)用中穩(wěn)定地執(zhí)行這些運(yùn)動。
而關(guān)于這項(xiàng)研究的相關(guān)論文“Whole-BodyMPCandOnlineGaitSequenceGenerationforWheeled-LeggedRobots”，已經(jīng)發(fā)表在arXiv預(yù)印本平臺上，論文由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的幾位作者撰寫。
圖|最近出現(xiàn)的腿輪機(jī)器人平臺，如Wheeled-ANYmal、ASCENTO和Handle
當(dāng)前，人們對機(jī)器人的運(yùn)動要求也越來越復(fù)雜。工作環(huán)境的復(fù)雜性和多樣化對移動機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求，對于對于有腿的機(jī)器人，疫情蔓延歐美的2020年，似乎是是具有突破性的一年，這從資本方面的動作可以看出，美國機(jī)器人研發(fā)公司AgilityRobotics最近為其Digit類人機(jī)器人籌集了2000萬美元的A輪融資，ANYmal公司也在前幾天完成了2230萬美元的A輪融資。隨著類似機(jī)器人剛剛開始進(jìn)入主流，市場似乎已經(jīng)準(zhǔn)備好持續(xù)增長。
在過去，機(jī)器人要么傾向于使腿，要么使用輪子移動。而大部分輪腿結(jié)合的輪足式機(jī)器人仍然只在研究領(lǐng)域。ANYmal這次展示的四足輪式機(jī)器人的潛力，是否指明了未來機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展方向？這或許需要交給時(shí)間。
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