团队设计了可以走平衡木的四足机器人系统

卡内基梅隆大学机器人研究所(RI)的研究人员设计了一个系统，该系统使现成的四足机器人足够灵活，可以在狭窄的平衡木上行走——这可能是同类产品中的首创。

“这个实验规模很大，”RI助理教授兼机器人探索实验室负责人ZacharyManchester说。“我认为以前没有人成功地用机器人完成过平衡木行走。”

据该团队所知，这是四足动物首次在狭窄的平衡木上成功行走。他们的论文“使用反作用轮增强有腿机器人的平衡”被2023年机器人与自动化国际会议接受。年度会议将于5月29日至6月2日在伦敦举行。

通过利用通常用于控制太空卫星的硬件，曼彻斯特和他的团队消除了四足动物设计中的现有限制，以提高其平衡能力。

大多数现代四足机器人的标准元件包括一个躯干和四条腿，每条腿的末端都是圆形的脚，使机器人能够穿越基本的平坦表面，甚至爬楼梯。它们的设计类似于四足动物，但与可以利用尾巴控制急转弯的猎豹或借助灵活的脊椎在半空中调整方向的坠落猫不同，四足机器人不具备这种本能的敏捷性。只要机器人的三只脚保持与地面接触，就可以避免翻倒。但如果只有一两只脚在地上，机器人就无法轻易纠正干扰，摔倒的风险也会高得多。这种缺乏平衡使得在崎岖地形上行走特别困难。

“采用目前的控制方法，四足机器人的身体和腿部是分离的，不会相互说话来协调它们的动作，”曼彻斯特说。“那我们怎样才能改善他们的平衡呢?”

该团队的解决方案采用安装在四足机器人背部的反作用轮致动器(RWA)系统。借助一种新颖的控制技术，RWA允许机器人独立于其脚的位置进行平衡。

RWA广泛应用于航空航天工业，通过操纵航天器的角动量来对卫星进行姿态控制。

“你基本上有一个带有电机的大飞轮，”与RI研究生Chi-YenLee以及机械工程研究生ShuoYang和BenjaminBoksor一起参与该项目的曼彻斯特说。“如果你向一个方向旋转沉重的飞轮，它会使卫星向另一个方向旋转。现在把它放在一个四足机器人的身体上。”

图片来源：卡内基梅隆大学

该团队通过在商用UnitreeA1机器人上安装两个RWA(一个在俯仰轴上，一个在滚动轴上)来对他们的方法进行原型设计，以控制机器人的角动量。使用RWA，机器人的腿是否与地面接触并不重要，因为RWA可以独立控制身体的方向。

Manchester表示，很容易修改现有的控制框架来解决RWA，因为硬件不会改变机器人的质量分布，也没有尾巴或脊柱的关节限制。无需考虑此类约束，硬件可以像陀螺仪(航天器的理想模型)一样建模，并集成到标准模型预测控制算法中。

该团队通过一系列成功的实验对他们的系统进行了测试，这些实验证明了机器人增强了从突然撞击中恢复的能力。在模拟中，他们通过将机器人从近半米高处倒置来模拟经典的猫坠落问题，RWA使机器人能够在半空中重新定位并用脚着地。在硬件方面，他们通过机器人沿着6厘米宽的平衡木行走的实验展示了机器人从干扰中恢复的能力以及系统的平衡能力。

曼彻斯特预测，四足机器人很快将从实验室的主要研究平台转变为广泛使用的商业用途产品，类似于大约10年前的无人机。随着继续努力增强四足机器人的稳定能力以匹配激发其设计灵感的本能四足动物，它们可以在未来用于搜索和救援等高风险场景。

“四足动物是机器人的下一件大事，”曼彻斯特说。“我认为未来几年你会在野外看到更多它们。”