cookieOptions = {...}; ‧ 機器人界那些另類的朋友們 ,是怎麼誕生的?(各式蟲獸機器人大觀 1) - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網
2015年10月16日 星期五

leiphone 沐陽浸月

【編者按】本文作者@沐陽浸月,中共中科院自動化所複雜系統國家重點實驗室研究生,主攻水下機器人。


說起機器人,可能由於受名詞中“人”字的影響,大部分人腦海裡出現的可能要麼是憨態可掬、動作靈活的小NAO機器人,要麼是彬彬有禮、動作規範的ASIMO機器人,亦或是電影《人工智慧》裡有著和人一模一樣的外表的大衛。其實,這些機器人都屬於仿人機器人,這些機器人是模仿人的形態和行為而被設計與製造出來的,一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。

然而,除了仿人機器人,仿生機器人中有很大一部分是仿照我們人類的朋友——那些自然界的生物們,通過它們帶給我們的靈感而製造出來的機器人,接下來我就向大家介紹一下我們那些另類的機器朋友們,一些世界上先進仿生機器人,這篇將重點介紹陸路仿生機器人。

1Big Dog(大狗機器人)
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大狗機器人是由波士頓動力學工程公司(Boston Dynamics)專門為美國軍隊研究設計,目前來看,這部機器人可以的算是四足機器人中最具有代表性的一種防生器人了。大狗具有良好的負重能力,平穩性和魯棒性極好,可以幫助人類承擔運送彈藥和物資等的任務,由於可以跑得比人類還快,而且具有鋼鐵之軀,所以可以作為良好的戰鬥前鋒隊,並且其身上裝有視覺以及定位系統,可以很好的完成跟隨等任務。美軍正在將阿富汗作為測試大狗試驗場。


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通過對大狗在雪地、泥地以及岩石瑣屑等惡劣地質條件下的測試得到, 大狗可以跳躍至1.1米的高度,攜帶154千克的重物,並且可以完成路程10千米,時長約2.5小時的長途跋涉。

其實,波士頓動力還推出裡一款小狗機器人(LittleDog),這款機器人主要是用於一些基礎研究,例如對電機的學習,對動力的控制,對環境的感知,以及輪胎式運動(其腳部採用輪式)。小狗身體內的主機可以通過感測器採集到關節角,電機電流,身體朝向,以及腳掌與地面的應力。其已經在麻省理工,斯坦福,卡內基梅隆,南加州等大學作為DARPA資助下的的一項研究被廣泛利用。

2Cheetah(獵豹機器人)
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獵豹機器人做的比較好的機構主要有兩家,一個是波士頓動力,一個是麻省理工學院。

波士頓動力的獵豹機器人通過背後的鉸鏈關節的來回運動,通過改變運動的步長和步頻來實現機器人速度的改變,這裡的靈感也正是來自以模仿真實動物的運動特性。目前波士頓動力的獵豹機器人在實驗室的一台跑步機上完成這各項試驗。在跑步機上,Cheetah通過一台液壓泵進行動力提供。下一代的獵豹機器人,又名WildCat(野貓),將會離開繩索的牽絆,在陸地上真正的跑動起來。

目前波士頓動力的獵豹機器人是世界上運動速度最快的腿式機器人,約為29邁,打破了MIT1989年創下的13.1邁的歷史記錄。Cheetah目前受美國國防高級研究計畫局(DARPA)的最大限度移動和操控專案(Maximum Mobility and 
Manipulation program)的資助。

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MIT Cheetah通過研究真實生物的肌腱結構,認為肌腱結構能夠減小衝擊力,增加了腿部的強度。通過有限元分析,研究人員設計了類似的肌腱結構足部,並在兩個肌腱之間加入了彈簧以增加一定的柔順性。這就使得MIT Cheetah具有十分出色的彈跳及越障能力。而且通過對關節處驅動電機的改裝以及尾巴的加入,使得MIT Cheetah擁有高速奔跑的能力和良好的平衡性。通過實驗,其可以在8.3千米每小時的速度下奔跑2.23小時,或者運用3千克的電池跑10千米。

3、壁虎機器人
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(波士頓動力的RiSE機器人)

壁虎由於其可以沿著垂直牆面進行爬行的優點和特性,也自然被拿來作為仿生的對象。做壁虎機器人的機構比較多,目前比較成熟的是史丹佛大學的Stickybot三代以及波士頓動力的RiSE

Stickybot三代是在Stickybot平臺上發展起來的,它有四條腿,每條腿有四個自由度,其中包括了在垂直牆上進行攀爬的主要部位——腕部。

壁虎機器人能吸附在牆上的主要原理是,在每個吸力手上,都有數百萬根由人造橡膠製造的毛髮,每根細毛的直徑大約只有500個納米左右,長度則只有不到2微米,毛髮和垂直表面分子們之間會產生分子弱電磁引力,也叫“範德瓦爾斯力”。這個力可以使壁虎機器人吸附到垂直面上。

Stickybot III體長36釐米,速度5釐米每秒;RiSE體長25釐米,速度30釐米每秒。壁虎機器人由於其可以吸附在牆上行走的特性,可以代替人類來執行反恐偵查、地震搜救等“高難度”的任務。

4、袋鼠機器人
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袋鼠機器人由仿生機器人領域的又一重量級公司FESTO研發而成。

袋鼠機器人的動力系統為氣動,主控板是電源供電,它腿部的 “肌腱”,是一種壓縮空氣貯存器,可以幫助它精確平穩地奔跑或著地。在觸地爪部內層的壓縮空氣推力作用下,實現向上向前地跳躍動作。腿向後蹬,袋鼠機器人就能夠前進。而在空中的時候,其又會收回到前方。

這款機器人每完成一次跳躍動作,其爪部便會儲存空氣能量以繼續下一次的跳躍動作。為了支援這系列動作的持續,研發人員在袋鼠機器人兩隻觸地的支撐腳上安裝了固定的彈簧裝置,以此來模仿真實袋鼠動物腳上的兩根蹄筋,為一次又一次的跳躍動作起到緩和作用。

這款機器人身高超過1米,體重約合7千克,其每次實現的跳躍動作大致在40釐米高、80釐米長的範圍內。

5、螞蟻機器人
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螞蟻機器人同樣是FESTO公司研發而成。

整款機器人不僅是對真是螞蟻單獨的仿生,另一個重大的突破和創新是螞蟻機器人運用了複雜的控制演算法對蟻群的運動進行的模擬。

螞蟻機器人讓我們看到了在不同的情況下,單個的螞蟻機器人如何獨立地作出反應,相互配合並作為一個整體的聯網系統。通過一起推與拉,螞蟻機器人將移動的物件穿過指定區域。由於對工作的智慧劃分,才使得負載得到了有效的運輸,而對單個的機器螞蟻來說這是個根本不能完成的任務。

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然而,螞蟻機器人不僅具有驚人的合作行為,而且它們的生產方式也是非常獨特的。

首先,對部件進行鐳射燒結,隨後點綴可見導體結構,即所謂的3D MID過程。電路是附著在機構表面上的,所以需要同時滿足設計和電氣功能上的需求。以這種方式,所有的技術元件可以安裝在螞蟻的身體裡或者表面,並進行精確地相互配合。投產後運行,不再需要外部控制系統。但是我們同樣可以通過無線的方式對螞蟻機器人的參數進行調節和干預。

6、螳螂機器人
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螳螂機器人是一種外形類似螳螂的步行機器人,其是由英國漢普郡工程師丹唐(Matt Denton)於20123月製造完成的。此螳螂機器人有六條腿,高2.8米、寬5米,1.9噸重,最高速度達到1千米每小時。截至目前,它還是世界上最大的全地形六足機器人。

機器螳螂由一台2.2公升的渦輪增壓柴油發動機提供動力,站起來有2.8米高。其可以由人駕駛,也可以選擇使用無線技術遠端遙控它,其運動能夠適應各種地形。螳螂機器人使用的液壓技術,閥門、管道以及各種配件,全部在電腦的控制之下,其每分鐘就要使用150升的液體。

7、海龜機器人
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Disney Research 聯同蘇黎世聯邦理工學院學生所開發的這款仿海龜機器人名為BeachBotBeachBot長不到2英尺,寬和高不足15英寸,目前主要用於沙灘作畫,7個電機可以幫助BeachBot把耙子部署到位,描出寬度從2英寸到15英寸不等的藝術畫筆效果,球形狀的氣球輪子讓機器人遍歷所有類型的沙灘而不留痕跡,以免毀壞沙畫。

8、軟體機器人
軟體機器人是一種新型柔韌機器人,可以僅用空氣來驅動。科學家最新研究的軟體機器人是採用紙質和矽橡膠製成,能夠彎曲、扭轉和抓起自身重量100多倍的物體。軟體機器人的設計靈感是模仿人類的內部構造或昆蟲的外形架構等,尤其是後者。

例如麻省理工大學研究出了蚯蚓機器人,蚯蚓通過反復的伸縮拉伸肌肉在地上爬行,每伸縮一下就向前挪一步;蝸牛和海參也利用這種被稱為“蠕動”的運動原理來活動,而我們的胃腸道也做著相同的動作,通過肌肉的伸縮,沿著食道把食物送入胃裡。它通過身體各部位的伸縮,在地面上爬行,看起來非常像蚯蚓。這台幾乎完全由柔軟材料製成的機器人非常富有彈性,即便用錘子狠狠砸它,它也能毫髮無損的全身而退。研究人員將它起名為Meshworm(網眼蟲)

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又如美國塔夫斯大學開發、已經獲得美國國防部高級研究計畫署資助的330萬美元的研究經費的毛毛蟲機器人。這款機器人用了兩個月時間建造完成,長12.7釐米,通過抽吸空氣進入肢體,可獨立地控制它的四肢運動,通過手動或者電腦控制,該機器人具備爬行和滑動等動作。實驗結果顯示,這種柔體機器人能夠靈活自如地往返15次穿梭於這一間隙。多數情況下,柔體機器人往返一次不足1分鐘。它能夠非常頑強地適應各種環境,它能夠穿越各種材料表面,例如:氈布、碎礫、泥濘,甚至是果凍。

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9、其他一些仿生機器人
TED美國國家航空和航天局NASA會議上,維吉尼亞理工大學的“機器人技術與機械實驗室(RoMeLa)”主任Dennis Hong,介紹了他的團隊在RoMeLa所製造的七種獲過獎的全地形機器人,其中不乏一些出色的仿生機器人。
STriDER (Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot)是一種三條腿的機器人,利用動能和勢能的轉化進行運動,靈感來源於威爾斯小說《世界大戰》裡的一種三腿生物。

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MARS (Multi-Appendage Robotic System)是一種具有六隻腿的機器人,採用自我調整的控制演算法可以在沙地等惡劣環境下進行行走,並馱載一定的負荷。

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IMPASS (Intelligent Mobility Platform with Active Spoke System)採用的是輪式腿,是一種帶有驅動輻條系統的移動平臺,這種足部特性使其具有出色的越障能力。

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HyDRAS則主要利用模仿蛇的身體扭轉完成爬樹的高難運動

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10、總結
無論是大狗機器人、獵豹機器人還是海龜機器人,都是我們通過對自然界的天才們進行觀察和研究後,利用他們經過數百年進化後得到的出色的外形特點與運動特性而設計出的仿生機器人。這些機器人很多都可以用來充當我們人類助手,通過它們來完成我們人類不能完成的一些任務。

                                                                                                                                                                                                                            

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