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机器人日行十万步却无需动力源 完美的机械结构让你开始怀疑人生

时间:2018-11-30 来源:机器人大讲堂


上图这个机器人可不简单,它是世界纪录的保持者,目前最新的纪录是连续步行27小时,总长72公里(相当于十万步还要多)。而最最关键的是,它完全凭借自己完美的机械结构,没有任何动力源。对!没有电机、没有电源,给它一个初始动力就在那干走27个小时。它的发明者是日本名古屋工业大学佐野明人教授。


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这很不可思议,然而这件不可思议的事情背后肯定有支撑它的理论。它依赖的是仿生学和生物动力学,而在现有250多个灵长类物种中,只有一个物种是用两条腿走来走去的——那就是我们人类。


至少90%的人会认为,我们行走靠的是肌肉,然而科学研究却证明不仅仅是这样。就像开头的机器人它基于的“被动行走”理论阐述的是人双足行走不仅仅需要肌肉的主动拉伸,同时更需要大自然的重力去配合着完成。


是不是很像人类偷懒时的行走方式?


什么是被动行走理论?我们先来揭秘一下自己的双腿


关于人类祖先为什么要放弃四肢着地,而选择直立行走的理论可谓是五花八门,至今也没有定论。有人说是为了解放双手进行劳作,有人说是为了摘到以前够不到的果子,甚至有人说是为了在微风中更好的散热。似乎都有些道理,但有一种解释——可以节约能源,是有科学依据的。


三位美国科学家(加州大学戴维斯分校的迈克尔·索科尔、亚利桑那大学的戴维·赖希伦和华盛顿大学的赫尔曼·庞泽尔),对比黑猩猩与人类行走所消耗的能量做了一个实验,并将结果发表在了美国《国家科学院学报》上:人类之所以最终进化成为两条腿走路的动物,主要是因为这种行走方式最为节省能量。


通过对5只黑猩猩和4个成年人在跑步机上运动时耗氧量的比较,他们发现,人类直立行走所需要的能量是黑猩猩四肢行走耗能的四分之一。科学家说,这些定量的数据说明直立行走比四肢行走更节省能量。


有趣的是,科学家还发现,同一群体的不同个体之间也存在很大差异,起初黑猩猩两腿直立行走和四肢着地行走时所耗费的能量几乎没有差别,但是,长期进行直立行走训练的黑猩猩,会比短期训练的黑猩猩更节省能量。所以,直立行走需要技巧,人也是一样,有些人看似走着,但他并不会“走路”!



索科尔说,“人类学会直立行走时东非地区的降水越来越少,原本茂盛得密不透风的森林变得越来越稀疏空旷,食物来源也变得越来越分散。我们的祖先不得不走更远的路来获取足够的食物。


假如用两条腿走远路能省点力气,那么,谁长途跋涉更不费劲,谁就占便宜。”“如果四处采集食物时能节省些能量,那份能量就可以用来发育和繁殖。”赖希伦说:“人类的祖先一旦发现了直立行走的好处,他们便会慢慢适应这种新的行走方式,这就是自然选择的作用。”达尔文的“物竞天择,适者生存”放之四海而皆准。

我们的祖先经过许多世代更迭、漫长岁月洗礼而形成的这些改变,看来的确没有白费功夫,事实证明相当实用。哈佛大学人类学系的丹·利伯曼通过实验发现,直立行走可以说是有关平衡、协调、效率的壮举。


他发现,在行走过程中,双腿的作用就像颠倒的摆钟——以一条支撑腿为支点,身体在其上做弧线摆动。这使得身体每迈出一步所消耗的大部分能量得以储存,减少了一半以上的能量消耗。


我们小时候认为最神奇的玩具之一


被动动力学理论创立与成熟


生物学家发现人类直立行走的大奥秘,动力学家们就闲不住了。1990年,加拿人学者T.McGeer提出了被动动力学理论,并由此有了“机器人被动行走”的概念。用完全的被动动力学法,机器人的所有关节无须驱动,只依靠机器人和环境二者之间交互的动力学特性就可以实现自发步行,所以称作被动步行。


因为没有能量输入,为了克服摩擦和脚触地时的能量损失,通常在斜坡上下行时实现自发步行,此时重力补偿了能量损失。这种自发的稳定步态完全是由机器人的机械结构决定的。下面是一个简单的原理图。


基于自己的理论,T.McGeer先后构建了2D无关节的纯被动机器人和有膝关节的双足被机器人。自T.McGeer开创性工作之后,美国、欧洲和日本的大学就都开始在被动步态领域展开的深入的研究。


其中比较出名的是康纳尔大学的、麻省理工学院、荷兰代尔夫特理工大学和前面提到的日本名古屋工业大学。一时间完全被动的和有驱动的不行机器人风靡全球的科研院所。



本文开篇提到的那个超牛掰的机器人佐野明人教授花了十几年时间于2009年研制成功的。而这种机器人有一个弊端,在没有动力源的情况下,要求机器人行走的路面必须是一个斜坡,显然这对于能应用于我们生活中的机器人是不现实的。


所以科学家的目的不在于此,他们的目的是什么?清华大学重点实验室的教授在论文中这样说:在充分分析机器人被动行走原型系统的基础上逐步加大机器人结构的复杂度,研究引入驱动的半被动步行机器人。最终利用所得的结论指导机器人的设计和控制,从而实现稳定、鲁棒、高效的仿人双足机器人。



所以,在此基础上波士顿动力研发出了上图这款叫ATRIAS的机器人。它在两条腿上面的盒子中加上了驱动,而腿部放置了弹簧(用以储能),在行走的过程中腿以以一种被动摆动的形式交互运作。ATRIAS引入了弹簧-质点模型(身体的质量以一个单点的形式附着在一条“无质量”的弹簧腿上)。腿上的弹簧可以在每只脚落地时储存部分能量,并把它转变成推动机器人下一步的力量,正如动物腿上的弹性关节。



与大多数机器人采取的静态稳定性的方法不同,ATRIAS以动态稳定的方式行走,这与人类的行走方式相同:在每次迈步的过程中于倾倒之前获得平衡。这样,当被动摆动(没有电机)的双腿与强大的髋关节电机相连时,弹簧-质点模型就能产生一种极为高效的步态,受到扰动时能够神奇般地自动复原。



在ATRIAS基础上,今年2月份Agility Robotics公司(ATRIAS研发团队中的某些人)又推出了上面这款机器人Cassie。看图片也知道,相比于人类来说,它更像是一只鸵鸟的两条腿。


但无论如何,图片中的Cassie才三个月大,最最重要的,Cassie不再仅仅是用作实验室的研究,它可以走出去用于灾害救援,也可以用于货物运输。


最后说一个小插曲,ATRIAS的全称是“assume the robot is a sphere”,意为“假定机器人是一个球体”——这是物理学圈内的一个经典笑话,基本意思是“简单的才是最好的”。似乎有种站在高地嘲笑那些苦心钻研各种算法的科研人员的意思。



机器人,就是夹杂着各种科学的奇思妙想。


关键字: 机器人 产业
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