東京大學(xué)最新研究成果！一種可實(shí)現(xiàn)陸空兩棲的新型四足機(jī)器人SPIDAR，具備多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力！

原創(chuàng)/文 BFT機(jī)器人

現(xiàn)實(shí)中，蜘蛛可以憑借飄蕩的蛛絲在空中漂浮，讓它們能夠穿越復(fù)雜地形。普通蜘蛛長(zhǎng)度只有幾毫米，重量只有幾十克，如何讓比蜘蛛重?cái)?shù)百倍的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)，是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

具有多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人，幾乎都是移動(dòng)系統(tǒng)的大雜燴，不能真正實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。例如，通過給多足機(jī)器人裝上一堆螺旋槳們，能夠讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)飛行，但在其他時(shí)間，足或者螺旋槳對(duì)機(jī)器人本身來說只是增添額外重量的物件。

近日，東京大學(xué)工學(xué)機(jī)械工學(xué)系的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型四足機(jī)器人——既能爬又能飛的機(jī)器蜘蛛SPIDAR。SPIDAR沒有腿部執(zhí)行器，在各關(guān)節(jié)四肢上使用重量較輕的伺服裝置，讓機(jī)器人可以在沒有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下獲得升力，使整個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“空中飛行”。團(tuán)隊(duì)相關(guān)論文《Design, Modeling and Control of a Quadruped Robot SPIDAR: Spherically Vectorable and Distributed Rotors Assisted Air-Ground Amphibious Quadruped Robot》現(xiàn)已公布。

“多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力”作為機(jī)器人領(lǐng)域的新興研究方向一直備受關(guān)注，在過去的十余年中，具備多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人研究經(jīng)歷了廣泛的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了在陸地和空中兩個(gè)領(lǐng)域的機(jī)動(dòng)。

什么是多模態(tài)運(yùn)動(dòng)？

自然界中，許多動(dòng)物具備在不同環(huán)境中進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng)的能力（例如游泳、行走、奔跑、攀爬），從而極大地提升了自身的環(huán)境適應(yīng)能力，我們稱這種相同身體構(gòu)造下能夠?qū)崿F(xiàn)不同模式運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象為多模態(tài)運(yùn)動(dòng)。

在這些機(jī)器人中，絕大多數(shù)僅僅是移動(dòng)系統(tǒng)的大雜燴，有幾種最先進(jìn)的雙足機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的行走+飛行運(yùn)動(dòng)。但由于中心化的轉(zhuǎn)子布置，現(xiàn)階段所研制的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人很難在半空中保持關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

對(duì)此難點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)了一種名為SPIDAR的新型空陸兩棲四足機(jī)器人，該機(jī)器人沒有腿部執(zhí)行器，而是由具有可移動(dòng)腿部的矢量腿部推進(jìn)器單獨(dú)連接，并使整個(gè)機(jī)器人完全升空。

接著，研究人員展示了該混合機(jī)器人平臺(tái)的建模方法，并進(jìn)一步開發(fā)了一種具有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的行走和飛行的集成控制策略。

最后，通過執(zhí)行涉及靜態(tài)行走和后續(xù)飛行的無縫運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，證明了所提出的混合四足機(jī)器人的可行性。

設(shè)計(jì)

SPIDAR 的每個(gè)肢體部分都附有一個(gè)球形矢量雙推進(jìn)器，這些推進(jìn)器可以圍繞肢體“滾動(dòng)”并與其正交旋轉(zhuǎn)，從而向任何方向提供推力。關(guān)節(jié)部分目前由小型伺服系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)，主要是為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，但伺服系統(tǒng)的強(qiáng)度不足以支撐機(jī)器人的重量，它的機(jī)動(dòng)性確實(shí)主要取決于推進(jìn)器系統(tǒng)。

據(jù)悉，SPIDAR 總共有 8 個(gè)連桿和 16 個(gè)關(guān)節(jié)，重達(dá) 15公斤，其中包括分布在連桿上的 8 個(gè)電池，能夠支撐總飛行時(shí)長(zhǎng)為9 分鐘，而機(jī)器人的步行距離是其兩倍多。

如圖所示，模型是平面對(duì)稱的，每條腿有三個(gè)DoF（兩個(gè)在臀部，一個(gè)在膝蓋）。然而，機(jī)器人不僅需要實(shí)現(xiàn)地面/空中混合運(yùn)動(dòng)，還需要實(shí)現(xiàn)半空中操縱，因此，全方位運(yùn)動(dòng)是骨架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特征。

接著，引入點(diǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這類似于擴(kuò)展型四足動(dòng)物設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以提供更寬的支撐多邊形。根據(jù)這一設(shè)計(jì)理念，每個(gè)肢體由兩個(gè)長(zhǎng)度相同的連桿組成，并通過具有兩個(gè)自由度（DoF）的關(guān)節(jié)模塊連接到中心軀干。

鑒于輕量化設(shè)計(jì)對(duì)飛行性能非常重要，研究人員部署了一個(gè)緊湊的伺服電機(jī)，以犧牲扭矩為代價(jià)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)，機(jī)器人中的轉(zhuǎn)子推力可以彌補(bǔ)關(guān)節(jié)扭矩的不足。

建模

研究人員將建模分為了兩部分：推力模型和整體動(dòng)力學(xué)模型。

如圖，整個(gè)動(dòng)力學(xué)包括關(guān)節(jié)扭矩τj、每個(gè)肢端的接觸力f c i、每個(gè)連桿的重力m i g和每個(gè)矢量轉(zhuǎn)子的推力f i。｛L i｝和｛F i｝分別表示第i個(gè)連桿和轉(zhuǎn)子的框架，而｛CoG｝是整個(gè)模型的CoG框架。對(duì)于行走過程中的自由腿，肢體末端的接觸力f c i消失。

基于上述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，第i個(gè)轉(zhuǎn)子模塊產(chǎn)生的三維力fi可以寫成：

實(shí)驗(yàn)

研究人員開發(fā)了一個(gè)SIDAR原型，鑒于輕量化設(shè)計(jì)，研究人員使用CFRP材料作為連桿，電纜可以穿過連桿；關(guān)節(jié)模塊使用鋁板連接連桿，而關(guān)節(jié)伺服是Dynamixel XH430-V350R，其扭矩由PLA制成的滑輪增強(qiáng)。將電池并聯(lián)分布在每個(gè)連桿單元中，可提供長(zhǎng)達(dá)9分鐘的飛行時(shí)間和長(zhǎng)達(dá)20分鐘的更長(zhǎng)步行時(shí)間，同時(shí)配備了帶防滑帶的半球足，以確保地面移動(dòng)期間的穩(wěn)定點(diǎn)接觸。

這項(xiàng)工作中仍然存在的一個(gè)關(guān)鍵問題，即行走過程中基線姿勢(shì)和關(guān)節(jié)角度的振蕩和偏差。為了提高穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)子推力應(yīng)直接用于關(guān)節(jié)位置控制，以取代當(dāng)前的簡(jiǎn)單PD控制。此外，步態(tài)規(guī)劃還應(yīng)通過添加反饋回路（如第V-C節(jié)所述）來抵抗漂移，再將研究動(dòng)態(tài)行走和空中操縱，以增強(qiáng)該機(jī)器人在操縱和操縱方面的通用性。

最終，研究人員在SPIDAR樣機(jī)上進(jìn)行的無縫地面/空中混合運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的可行性。

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