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如今人形機(jī)器人概念火熱，無(wú)數(shù)新老玩家爭(zhēng)先恐后，想要在內(nèi)卷激烈的賽道闖出一片天，而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人步行一直是這個(gè)領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。以特斯拉Optimus為例，需要個(gè)28個(gè)驅(qū)動(dòng)器才能支撐其完成復(fù)雜的行走動(dòng)作。
但如果我們追求機(jī)器人結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易化，是否可以用更少的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人的行走呢？
近日，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系的研究團(tuán)隊(duì)給出了肯定的答案。
他們研發(fā)了一個(gè)單驅(qū)動(dòng)器的雙足機(jī)器人“Mugatu”。這個(gè)外形簡(jiǎn)單的機(jī)器人只包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)剛體，卻可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走、左右轉(zhuǎn)向等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。
這一突破性設(shè)計(jì)也為高效小型機(jī)器人的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。
簡(jiǎn)易化設(shè)計(jì)：雙足機(jī)器人的終極目標(biāo)
在機(jī)器人學(xué)界，簡(jiǎn)易化設(shè)計(jì)一直是一個(gè)關(guān)鍵方向。
理想狀況下，我們期望機(jī)器人可以像人類一樣，僅靠少數(shù)關(guān)節(jié)和肌肉的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)即可完成復(fù)雜的機(jī)動(dòng)。這樣不僅可以降低成本，也有利于提升機(jī)器人的可靠性。
早在20世紀(jì)80年代，加拿大工程師Tad McGeer就制造出一個(gè)不需要電機(jī)、執(zhí)行器或計(jì)算機(jī)控制，僅巧妙地利用平衡和重力，就可實(shí)現(xiàn)步行的簡(jiǎn)易機(jī)器人。這也是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究人員的靈感來(lái)源。
為此，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)名為“Mugatu”的新型雙足機(jī)器人。Mugatu只包含一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)和兩個(gè)剛性支架，卻可以在水平面上自主行走。并且研究人員表示，這一設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)，是將執(zhí)行器縮小到樂(lè)高積木的大小，實(shí)現(xiàn)更加便攜和靈活的微型雙足機(jī)器人。
獨(dú)特機(jī)制：巧妙利用重力實(shí)現(xiàn)自平衡
那么，Mugatu是如何僅通過(guò)一個(gè)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)平衡與行走的呢？這主要源自其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙之處。
Mugatu由兩條相連的腿組成，腿的底部是腳掌而無(wú)膝蓋關(guān)節(jié)，腳掌的形狀經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，也可以稍微轉(zhuǎn)向左右兩側(cè)。兩條腿的連接方式保證了重心始終低于支撐的腳掌，這樣當(dāng)機(jī)器人失去平衡時(shí)，它總能夠滾回直立狀態(tài)。
另外，當(dāng)兩只腳并攏站立時(shí)，機(jī)器人有一個(gè)稍向后傾的預(yù)設(shè)角度，這可以讓一條腿抬起而不會(huì)觸及地面。通過(guò)合理設(shè)置關(guān)節(jié)初始位置，Mugatu實(shí)現(xiàn)了步行的自啟動(dòng)。
“我們盡可能簡(jiǎn)化了機(jī)器人的行走方式，這種大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與單一自由度配合使用，是實(shí)現(xiàn)高效小型機(jī)器人邁出的一大步。”研究人員表示，即便看似簡(jiǎn)單，這種獨(dú)特的重力驅(qū)動(dòng)方式也讓Mugatu具備了轉(zhuǎn)向靈活性，完全可以取代其他復(fù)雜機(jī)器人。
開(kāi)創(chuàng)性意義：?jiǎn)悟?qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜機(jī)動(dòng)
這款單驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人對(duì)小型機(jī)器人研究具有重大意義。
首先，它證明了即使只有一個(gè)執(zhí)行器，也可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主平衡與行走。這為未來(lái)雙足機(jī)器人向簡(jiǎn)易化和微型化方向發(fā)展提供了新思路。
其次，Mugatu展現(xiàn)了驚人的機(jī)動(dòng)性。盡管看似簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但它可以實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人同樣復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，包括自啟動(dòng)、穩(wěn)定步態(tài)、左右轉(zhuǎn)，這說(shuō)明單驅(qū)動(dòng)器也可以支持靈活機(jī)動(dòng)，而且研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，Mugatu的能耗非常低，一定距離內(nèi)使用的能源量很少，這也為小型機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景打開(kāi)了更多可能性。
廣闊前景：小型機(jī)器人的多樣應(yīng)用
未來(lái)，小型雙足機(jī)器人可以運(yùn)用在狹小空間的機(jī)動(dòng)與監(jiān)測(cè)，在管道、機(jī)械腔體等人類難以到達(dá)的空間，利用體積小且機(jī)動(dòng)性強(qiáng)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行穿行與監(jiān)測(cè)；而在建筑坍塌等災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，小型機(jī)器人可以靈活進(jìn)入狹小空間，搜索生命跡象或者檢查設(shè)施損壞；此外，高效低成本的小型機(jī)器人，還可以大量部署于各類商業(yè)和消費(fèi)場(chǎng)景，在消費(fèi)端發(fā)力。
總的來(lái)說(shuō)，雖然離“樂(lè)高大小”的目標(biāo)，還需要一定時(shí)間才能達(dá)到，但當(dāng)執(zhí)行器進(jìn)行等比縮小時(shí)，一切機(jī)制都會(huì)發(fā)生變化，而卡內(nèi)基梅隆大學(xué)帶來(lái)的Mugatu，為機(jī)器人行走的極致簡(jiǎn)約化開(kāi)創(chuàng)了新篇章。我們有理由相信，未來(lái)類似這種簡(jiǎn)單輕巧、高效靈活的小型機(jī)器人，將在工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)等廣泛領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。
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