卡内基梅隆大学(CMU)机器人力学实验室的研究人员最近推出了两种新方法，可以帮助提高腿部机器人在岩石或极端地形上移动的能力。这两种方法在arXiv上预先发表的一篇论文中概述，其灵感来自动物的先天本体感觉能力和尾巴力学。

“我们的论文旨在将腿机器人从理想的实验室环境带入现实世界的环境，在那里他们可能会遇到具有挑战性的地形，如岩石山丘和路缘石，”进行这项研究的研究人员之一Yanhao Yang告诉Tech Xplore。“为了实现这一目标，我们从动物和工程原理中汲取了灵感。

众所周知，许多动物，包括猫和其他猫科动物，都会沿着自己的脚印行走，因为这可以让它们在不同的地形上立足并保持稳定性。杨和他的同事们试图在机器人中复制这种行为，融合本体感觉和运动规划技术。

他们使用的技术允许机器人“感知”环境，并通过收集有关自己身体位置，动作和位置的信息来更可靠地移动。这种被称为“本体感觉”的能力克服了计算机视觉系统的局限性，已知计算机视觉系统会受到传感器噪声、环境中的障碍物、附近物体上的光反射和不良照明条件的不利影响。

动物和人类天生就有本体感觉，但大多数现有的机器人都使用视觉系统提供的数据来理解周围的环境。杨和他的同事建议使用集成在机器人内部的传感器(如电机、编码器和惯性测量设备)收集的数据，而不是使用依赖于摄像头、激光雷达技术和其他外部传感器的视觉系统。

“这有助于机器人检测何时滑倒或跌倒，并调整其运动以避免翻倒，”杨说。“该系统的主要优点是它对环境噪音(如障碍物，反射或照明条件)更强大。挑战在于当本体感觉感知到事故时，在不确定性下做出正确的控制和规划决策。

除了他们提出的本体感觉系统外，研究人员还创建了一个计算模型，允许机器人控制人造尾巴，类似于动物在导航环境时移动尾巴的方式。许多动物，包括松鼠和猫，在跳跃或跳到水面上时用尾巴来保持平衡。

“我们注意到动物用尾巴来辅助它们敏捷的运动，但大多数机器人没有尾巴，”杨说，“例如，猎豹用尾巴来实现快速加速、减速和快速转弯，而松鼠在树枝之间跳跃时用毛茸茸的尾巴来平衡。我们通过为我们的四足机器人添加尾巴来调整这个想法，这有助于在机器人错过立足点或掉落时保持平衡。

杨和他的同事们还创建了一个控制系统，允许有腿机器人的人造尾巴与它的腿协调工作，帮助它保持平衡，即使它的一条或多条腿被抬离地面。这可以显着改善机器人在崎岖或不平坦地形中的导航，同时最大限度地提高其在狭窄或狭小空间中的效率。

Yang和他的同事在一系列模拟中评估了他们的运动规划方法。他们的发现非常有希望，因为他们的生物启发本体感觉和尾部控制方法允许模拟腿机器人减少意外的滑倒和跌倒，同时也提高了它们在极端和不断变化的地形中可靠移动的能力。

这些新的运动规划方法可以在真正的腿机器人上应用和测试，有可能使它们更可靠地驾驭具有挑战性的环境，减少碰撞和跌倒。这可以使这些机器人更好地完成搜索和救援任务，环境监测行动和其他需要在不平坦或具有挑战性的地形上移动的现实任务。

“我们未来研究的主要目标之一是在实际硬件上测试我们提出的方法，”杨说。“这将是一个挑战，因为我们需要准确估计状态和联系信息，这对于机器人的本体感受和控制至关重要。

在他们的下一个工作中，杨和他的同事们还计划改进他们的框架如何建模和控制机器人的尾巴。这可以进一步减少碰撞，包括尾巴与机器人身体其他部位或环境之间的碰撞。

“另一个改进领域是将该方法扩展到更复杂的地形，例如狭窄的沟壑或垫脚石，”杨补充说。“目前，我们的方法假设相对简单的地形变化，但在更具挑战性的地形上，机器人的腿可能会绊倒或悬挂。在这些情况下，我们的控制器仍然会尝试降低机器人的身体以保持稳定性，但我们可以通过在步态规划过程中添加更多事件来进一步改善这一点。