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北理工“机器鼠”出动!X光片精度还原,载重物爬窄管不在话下

发布日期:2022-05-16     点击量:

提到腿式机器人,脑海中首先会想到些什么?大概是踹不倒的BigDog、能担能抗的阿尔法狗、运动健将Wild cat等这样,看起来就高大上的明星四足机器人吧。


这些基于中大型四肢动物设计出来的大型腿式机器人,在各方面都表现出优异的适应性和较高的负载承重能力,且在现实世界中拥有极其广泛的前景。


然而,正如自然界不止有空旷草原任由四足猛兽奔跑,也有羊肠小道供蛇鼠昆虫悠然生活,机器人界也少不了小型爬行动物的组成。

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特别是在狭小空间、灾害废墟等极端情况下作业时,再小的Spot Mini也束手无策,无法动弹。此时就需要,在有限空间中仍有运动能力的小型四足机器人。

爬行界的蛇、蟑螂等,早已拥有与自己外形相似的机器人,小巧灵活的老鼠,以其非常善于在狭小空间中穿梭甚至转身的敏捷性,同样给人们带来了新的设计灵感。

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基于X光片设计,最大程度还原鼠类灵活运动

最近,北京理工大学石青教授团队,以老鼠为原型,设计了一款名为SQuRO的小型四足机器人,并成功发表在机器人领域顶刊的IEEE Transactions on Robotics上。论文中,介绍了这款新型鼠鼠机器人的设计思路和及其灵活的能动性,并展示了该款机器人,以前所未有的敏捷性行走、爬行、穿越障碍、急速转弯,并且可以迅速从跌倒中爬起。

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SQuRo是基于褐家鼠(rattus norvegicus)的身体大小和形态打造。为了尽可能复制真实老鼠的灵活运动,石教授团队首先通过X射线图研究其解剖结构,尤其关注其骨骼和关节分布。

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他们发现,老鼠的运动模式主要是颈椎三维(俯仰-偏航-滚转)运动、脊柱伸索和侧屈、四肢的运动及其配合。在运动的相似度和简化度之间的权衡,最终团队选择为机器人配置12个主动自由度(active DOFs),其中四条腿各有两个自由度,腰部有两个,头部有两个。机器人长188mm,宽55mm,尾巴长90mm,重量只有220g

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研究人员首先测试了基本的五个关键能力,包括站立蹲下、行走、爬行、转弯,以及跌倒后复原,而一系列的实验证明,这种设计确实复制了真实老鼠灵活修长的脊柱,并实现了机器人像真实老鼠一样灵活的运动。值得注意的是,SQuRo机器人是第一个能完成五种运动模式的小型四足机器人。

其中,转弯的结果尤其令人印象深刻, 它的最小转弯半径只有0.48个身体长度,据说这比其他类似规模的四足机器人都要小得多,保证了在狭小空间内的敏捷运动。

通过更具挑战性的场景测试

接下来,研究人员在更有挑战性的场景中测试该机器人。包括洞穴通道测试、斜坡测试和承重测试。实验中,SQuRo成功通过一条模仿洞穴的狭窄、不规则通道,包括直道、弯道、Z字道三种模式;并能在15°的斜坡上稳稳爬行;还成功托起200g的负载前进。

为了保证机器人在类似管道、灾区等更具有挑战性的环境中的适应性,研究人员进一步设计了越障、跌倒恢复等功能。

机器人可以向后依靠臀部支持,将前爪搭在障碍物上,再起身越过该障碍物。经测试,SQuRo可以越过30mm(自身高度的1/3)的障碍物,且能在侧倒后,自行回到站立状态。

机器鼠有望商业化

SQuRo作为比同类小型四足机器人更苗条、轻盈、灵活的新型机器人,它的重量只有220克。也就是说,它可以携带的负载与自身的重量之比更大,而这些负载可以是相机或其他传感器为研究提供支持。

石青教授表示,团队有兴趣将该机器人商业化,并通过进一步研究搭配更多传感器来提高其敏捷性和场景适应性。

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我们相信,在该技术得到进一步发展后,SQuRo有很大希望可以用于执行一些复杂任务,如对狭窄、非结构化管道的检查,甚至可以用于灾难现场的搜救任务。

来源:北理工“机器鼠”出动!X光片精度还原,载重物爬窄管不在话下-机器人大讲堂


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