单足机器人掌握“花式”腾跃技巧：能跳到指定地位，还能颠簸落地

智东西（公众号：zhidxcom）编 | 董温淑

智东西6月2日音讯，2016年，加州大学伯克利分校的一支研讨团队研发出一款腾跃机器人Salto。过去4年中，该团队不断努力于提升Salto机器人的功能。

经过之前的研讨，Salto完成了延续腾跃、从妨碍物表面反弹腾跃、在户外腾跃的才能。但是，Salto腾跃到指定地位的准确性和着陆时的平衡性还有所完善，这导致其难以跨越妨碍物。

研讨团队的最新研讨尝试处理这一成绩。在近日举行的ICRA 2020会议上，加州大学伯克利分校的研讨团队引见了最新款机器人模型Salto-1P。Salto-1P可以用单足精准地腾跃到一个狭窄的支架上，着陆时能保持较好的平衡性。数据显示，相比于之前的Salto机器人，Salto-1P腾跃程度间隔的标准差从9.2cm下降到1.6cm。在另一项测试中，研讨人员停止了60次实验，Salto-1P只要3次偏离了目的地位。

ICRA 2020是机器人技术范畴最具影响力的国际会议之一，由IEEE机器人与自动化协会举行。本项研讨发表在学术网站IEEE Xplore上，论文标题为《用姿态–相平衡完成准确的机器人腾跃和着陆（Precision Robotic Leaping and Landing Using Stance-phase Balance ）》。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9016133

一、用基于角动量的控制器设置机器人落地角度


论文分析了现有的从静态末尾腾跃的机器人、跑步机器人、多自在度机器人。经过这项工作，研讨人员发现了这些处理方案存在的成绩。

初始形状为静态的机器人在腾跃之前，普通会停止波动的助跑，以瞄准目的地位。这种方式可以提升机器人腾跃到指定地位的准确性，但是无法控制机器人的着陆姿态。因此，每完成一次腾跃，机器人能够需求研讨人员停止一次扶正动作。

跑步机器人普通采用弹簧加载反摆模型（SLIP，Spring Loaded Inverted Pendulum），可以将腾跃动作交融到步态中，但是无法设置着陆、中止跑动时的姿态。

具有多自在度的四足或六足机器人可以完成跨越妨碍和翻转等动作，但是，这类机器人普通只能在较平整、广阔的地位着陆，而不能在狭窄的区域着陆。

本项研讨中，研讨人员尝试用基于角动量的倾斜控制器来提升腾跃机器人腾跃到指定地位的准确性和着陆时的平衡性。

研讨人员发现，当机器人以一定的角度着陆时，他们的落地动作会产生大量的角动量。这种状况下，机器人的着陆角度必须非常准确，否则就无法保持平衡。比如，假如要从1米高的地方颠簸落地，机器人的着陆角度需求控制在2.3度左右。基于角动量的倾斜控制器可以精准控制机器人的着陆角度，协助机器人颠簸着陆到指定地位。
二、Salto-1P：体长0.313米的点足机器人


研讨人员将基于角动量的倾斜控制器用于单足机器人Salto-1P。Salto-1P的次要组成部分有推进器（Thrusters）、座驾（chassis）、反冲式叶轮（reaction wheel）、腿部电动机（leg motor）、足部等。

Salto-1P采用点足（point foot），同时腿部设置有两个“脚趾”。研讨人员称，当Salto-1P蹲下时，其腿部的两个“脚趾”可以接触到地面，这可以增大机器人着陆时的力矩、使机器人着陆愈加颠簸。

▲Salto-1P表示图

Salto-1P体长约为0.313米，质量为0.111千克。

▲Salto-1P参数表

研讨人员用机载编码器和陀螺仪来测量重心位移、起跳速度等运动参数。测量程度速度的误差标准差为0.1m/s。

为了愈加牢靠地评价学习控制、腿部控制和着陆策略的牢靠性，研讨人员添加了一个运动捕捉系统，用其测量机器人腾跃运动的程度间隔等参数。
三、共停止70次实验，机器人基本上能在目的地位着陆


机器人部署好后，研讨人员停止实验，评价了机器人在不同条件下腾跃到指定地位的准确性。实验中，研讨人员用无线电以100Hz的频率向机器人发送指令。

首先，研讨人员规定机器人的起跳角度和腿部运动速度。研讨人员将机器人起跳角度限制在0.218rad±75%，设置3种腿部运动速度，分别为1.88m/s、2.88m/s、3.88m/s。

在不同的起跳角度和腿部运动速度组合下，研讨人员共停止了60次实验，在这些实验中，机器人的起跳角度误差的标准差为0.023rad、程度速度平均误差为0.041m/s、垂直速度平均误差为-0.048m/s。60次实验中，机器人有57次成功在目的地位着陆。

▲红色点表示机器人未能在目的地位着陆

接上去，研讨人员规定机器人的腾跃轨迹，不设置起跳角度。根据论文，设置机器人的腾跃最高点比起跳点高0.571m（正好是两倍机器人体长），程度位移为32.6cm。机器人腾跃时的加速度被规定为30rad/s2、腾跃工夫为0.07s、程度速度为3.38m/s。在未经调整的状况下，机器人的起跳角度为0.166rad（调整后起跳角度为0.147rad）。

研讨人员使机器人在起跳角度为0.166rad的状况下停止10次腾跃，并记录其起跳轨迹。下图中，蓝色线条代表参考轨迹，灰色线条为机器人起跳轨迹，红色线条表示起跳角度调整为0.147rad后机器人的起跳轨迹。

▲Salto-1P的起跳轨迹图

测量结果显示，机器人腾跃的平均程度间隔为35.1cm，标准差为1.6cm。相比之下，之前的Salto机器人腾跃的平均程度间隔标准差为9.2cm。

▲Salto-1P的腾跃轨迹图
结语：将来机器人或能在柔软、光滑表面上着陆


从2016年以来，加州大学伯克利分校的一支研讨团队努力于不断改善腾跃机器人Salto的功能。本项研讨中，研讨人员经过部署一个基于角动量的倾斜控制器，使机器人可以较精准地腾跃到指定的地位。

论文还指出，当机器人停止延续腾跃动作时，可以在面积更小的目的物上着陆。另外，为了使Salto机器人可以获得实践运用，研讨人员将在将来停止更多探求。比如，研讨人员将尝试使机器人在柔软或光滑表面上着陆。

文章来源：IEEE Spectrum、IEEE Xplore

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