介绍最简单的步行机器人

早在20世纪80年代末，一位名叫Tad McGeer的加拿大工程师就制造了一对 remarkable 的机械腿，这对腿没有动力，没有执行器，没有传感器，也没有计算机控制。但当你在一个缓坡上启动它们时，它们就会以牛仔般慵懒的滚动步态开始行走。

相比之下，机器人腿充满了传感器，用于监测每个关节的位置，计算机处理器，用于规划每一次运动的轨迹，以及执行器，用于将肢体推到位。当然，所有这些都是耗能巨大的工作。

McGeer的突破提出了一个全新的机器人方法的前景，即控制机器所需的大部分智能都内置于设计中。他将这种新方法称为被动动力学，希望它能使机器人像人类一样有能力且能效高。

但事情并没有完全如愿。30多年过去了，工程师们确实取得了进步，但机器人仍然是耗能巨大的机器，充满了传感器、执行器和处理器。效率更高的机器当然是可能的，所以一个重要的问题是，一个机器人步行器能摆脱多少电子辅助？换句话说，实现步行的最简单方法是什么？

最简单的步行器

现在，得益于匹兹堡卡内基梅隆大学的James Kyle及其同事的工作，我们得到了答案。他们建造了一个名为Mugatu的步行机器人，它只有一个电机和两条刚性腿。

Kyle及其团队表示，他们的设计是第一个如此简单的双足步行机器人，它能够自行启动和停止，直线行走或转向。“尽管其形态简单且只有一个执行器，它还能够左右转向并平稳地改变其转弯半径，”他们说。

这项工作将机器人步行的机械要求降至最低。由于Mugatu甚至没有膝关节，它的简洁性为其他更简单、甚至更小的步行设备铺平了道路。

步行的过程 deceptively 复杂。一个步行机器人必须抬起每只脚并向前移动，同时保持平衡并能够转向。

Kyle及其团队表示，这通常需要几个不同的电机来协调所有这些任务。“我们表明，经过仔细的机械设计并遵循一些设计规则，一个电机就可以同时完成所有这些任务，”该团队说。

Mugatu的脚的设计和曲率最终至关重要，因为它们允许机器人在行走时前后和左右滚动。Kyle及其团队发现了一些设计规则，确保机器人尽管在机械上设置简单，也能行走。

例如，一个设计规则是机器人的质心必须低于脚的曲率中心。这确保了当机器人失去平衡时，它会滚回直立位置。

第二个规则是，当机器人双脚并拢站立时，它必须向后倾斜。这确保了当臀部旋转以使一条腿向前移动时，该腿会向上抬起，而不是卡在地面上。

当腿抬起时，机器人向前滚动，倾斜向抬起的腿。当这条腿着地时，另一条腿会抬起并向前移动，导致机器人向另一个方向倾斜。以此类推。

行走时，脚的曲率决定了这种滚动步态的频率。因此，将电机的动作与此频率匹配，就可以使机器人直线行走。改变这个频率会导致机器人向左或向右偏。

该团队继续讨论其他因素，例如机器人的惯性——每条腿都包含一个电池，增加了其质量，尽管Mugatu只有一个电池供电。

与同等大小的其他机器人相比，Mugatu是一种高效的步行器。事实上，它走得越快，效率就越高。这发生在较低的步频但更长的步幅下。

这项工作将被动动力学的原理提升到了一个新的水平，这是很有趣的。然而，还有很长的路要走。该团队指出，尽管Mugatu的表现优于其他机器人，但与动物的效率相去甚远。

但对于该团队来说，这还只是早期阶段。“未来的设计优化研究可以调查效率是否可以提高，”他们说。

在此期间，工程师们无疑可以从Kyle及其团队使用被动动力学的方法中学习，一步一步地改进机器人。

参考：最简单的步行机器人：一个具有一个执行器和两个刚体的双足机器人：arxiv.org/abs/2308.08401