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大阪大學(xué)機(jī)械科學(xué)與生物工程系的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的蜈蚣形機(jī)器人，并演示了該機(jī)器人曲線行走和直線行走的狀態(tài)，這種機(jī)器人能夠穿越不平坦的地形進(jìn)行搜救行動或者執(zhí)行太空中其他星球的探測任務(wù)。

地球上的很多動物都具備很強(qiáng)大的運(yùn)動能力，動物使用它們的腿表現(xiàn)出敏捷的運(yùn)動，并表現(xiàn)出非凡的陸地機(jī)動性以穿越不同的環(huán)境，研發(fā)人員受動物運(yùn)動的啟發(fā)，開發(fā)了許多有腿機(jī)器人，希望通過類人的運(yùn)動方式讓機(jī)器人也可以在各種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)敏捷運(yùn)動。

在此之前，NASA研究院也曾發(fā)布過一款巨型的蜈蚣形機(jī)器人，但NASA的機(jī)器人主要研究方向是在無傳感器依賴的極端環(huán)境下的自主導(dǎo)航，而大阪大學(xué)本次發(fā)布的機(jī)器人則更多地研究多足機(jī)器人動力學(xué)中產(chǎn)生的動態(tài)不穩(wěn)定性及其解決方法。

(資料圖)

盡管有腿機(jī)器人具有出色的地面機(jī)動性，但當(dāng)工程師們嘗試模仿人類去制造雙足機(jī)器人的時候卻發(fā)現(xiàn)，這樣的機(jī)器人會出乎意料地脆弱，一旦雙足機(jī)器人的其中一條腿出現(xiàn)故障或損傷，就會導(dǎo)致機(jī)器人無法行動。

在動物中，蟑螂使用其六條腿表現(xiàn)出令人難以置信的敏捷運(yùn)動，蜈蚣和千足蟲在崎嶇地形上的擁有高穿越性以及對跌落和腿部故障有高容錯度，于是研發(fā)人員們把目光轉(zhuǎn)向了多足機(jī)器人，讓機(jī)器人從雙足到多足，解決當(dāng)機(jī)器人一個腿受傷時的繼續(xù)行走的難題，多足機(jī)器人的設(shè)計可以很有效地分?jǐn)倷C(jī)器人整機(jī)重量，并且在一條腿受傷的時候仍可以繼續(xù)行動。

雖然使用大數(shù)量的機(jī)械腿對有腿機(jī)器人有優(yōu)勢，但它會使機(jī)器人身體變長，導(dǎo)致與環(huán)境的交互變得復(fù)雜，許多接觸腿在運(yùn)動過程中被身體限制在地面上以支撐長身體，從而阻礙了機(jī)動性。從生物學(xué)和工程學(xué)的角度來看，使用大量腿進(jìn)行敏捷運(yùn)動的潛力是個未知數(shù)，使用大量腿的機(jī)器人的機(jī)動運(yùn)動仍然具有挑戰(zhàn)性。

大阪大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種仿生“myriapod”機(jī)器人，它利用了動態(tài)不穩(wěn)定的優(yōu)勢，可以使機(jī)器人在直線行走和曲線行走中切換，它由六個部分和靈活的關(guān)節(jié)組成，每個部分連接兩條腿，使用可調(diào)螺釘組成的聯(lián)軸器十分靈活，可以在步行運(yùn)動中通過電機(jī)進(jìn)行修改。

這項(xiàng)研究的關(guān)鍵是多足機(jī)器人的動態(tài)不穩(wěn)定性，在研發(fā)的初期，給機(jī)器人增加關(guān)節(jié)會導(dǎo)致機(jī)器人直走的時候不穩(wěn)定，曲線行走也沒法準(zhǔn)確控制，機(jī)器人的可控性不高，這也是工程師們重點(diǎn)攻克的方向。隨后，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種用于myriapod機(jī)器人機(jī)動和高效運(yùn)動的控制方案，在機(jī)器人在身體軸中加入了一個可變剛度機(jī)構(gòu)，這使得機(jī)器人可以改變其身體軸的靈活性并控制行走過程中的分叉特性，基于這些特性開發(fā)了一種簡單的控制程序，便能使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)動和自主運(yùn)動。

這種方法不直接控制體軸的運(yùn)動，而是控制體軸的靈活性，因此可以大大降低計算復(fù)雜度和機(jī)器人運(yùn)動時的能量需求。該研究團(tuán)隊(duì)成員Shinya Aoi說：“我們的靈感來自某些極其敏捷的昆蟲的能力，這種能力使它們能夠控制自己運(yùn)動中的動態(tài)不穩(wěn)定性，從而引起快速的運(yùn)動變化?！?/p>

據(jù)介紹，該機(jī)器人主要由標(biāo)準(zhǔn)金屬和直流電機(jī)組成，外表基本上都是硬的，除了身體部分偏航接頭中的扭力彈簧具有柔軟特性，然而，正是這些軟元素控制著機(jī)器人的整個動力學(xué)并創(chuàng)造了各種類型的運(yùn)動，從而大大提高了性能，這似乎是在軟體機(jī)器人中發(fā)現(xiàn)的一個優(yōu)勢。

在目前的硬地板上進(jìn)行的測試中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)搜集了許多控制器對多足機(jī)器人的機(jī)動能力以及提高運(yùn)動效率的相關(guān)數(shù)據(jù)，下一步計劃是在更復(fù)雜的環(huán)境下驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計，現(xiàn)款機(jī)器人只在部分偏航關(guān)節(jié)中有扭力彈簧，但之后會驗(yàn)證在部分俯仰和滾動關(guān)節(jié)和腿部使用更多柔性零部件。

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