“夜猴”跳躍機器人驚艷全球媒體 敏捷性達到每秒1.7米

　　然而，霍爾丹團隊希望設(shè)計出能夠匹敵夜猴跳躍高度和跳躍頻率的微型跳躍機器人，從而達到相似的高敏捷性。最終，研究者研發(fā)的仿生跳躍機器人敏捷性與夜猴十分接近，每隔0.58秒可以跳躍1米，敏捷性為1.7 m / s。

　　Salto的基本跳躍單元與常見的跳躍機器人類似：彈性元件，如彈簧。不同的是，Salto跳躍系統(tǒng)中的彈性元件(有點類似橡膠的能夠扭曲的彈簧)是串聯(lián)放置的，從而獲得串聯(lián)彈性驅(qū)動器(SEA)。串聯(lián)彈性驅(qū)動器性能很好，不僅有助于保護電機，還能進行力控制，使得跳躍系統(tǒng)能夠被動恢復(fù)一些能量，并且能夠進行功率調(diào)制。

　　其中，功率調(diào)制非常重要。功率調(diào)制指的是一個受控(調(diào)制)的能量存儲和釋放過程。在類似Salto這樣的跳躍機器人的情況下，這意味著能夠以一個相對較長的時間向系統(tǒng)彈性元件輸送能量，然后以相對較短的時間釋放該能量。

　　大多數(shù)性能優(yōu)異的跳躍機器人都是使用彈性驅(qū)動器來調(diào)制其供能的方式：利用馬達卷起彈簧儲存能量，然后立即釋放所有能量用以跳躍。如果能夠直接利用馬達的輸出功率，跳躍機器人的性能會更好。

　　夜猴的肌肉和肌腱就類似人工系統(tǒng)中的彈簧。然而，研究者實現(xiàn)Salto高敏捷跳躍系統(tǒng)主要模擬了夜猴另一提高其跳躍能力的特點：具有可變機械增益(mechanical advantage，MA)的腿。夜猴腿部的結(jié)構(gòu)以及其跳躍時的技巧，使得夜猴的跳躍能力比單獨使用肌肉時獲得驚人的15倍提升!這才是研究人員為Salto尋找的秘密武器。

　　功率調(diào)制模型及實例。(A)功率調(diào)制系統(tǒng)模型，包含串聯(lián)彈性驅(qū)動器以及機械增益(MA)模塊。(B)機器人機構(gòu)的鏈接示意圖。(C)Salto跳躍機器人的整體實物圖。

　　機械增益(MA)指的就是利用杠桿(如撬棍)將較小的力和較大的運動幅度轉(zhuǎn)換為較大的力和較小的運動幅度。

　　Salto(以及夜猴和其他跳躍動物)腿部結(jié)構(gòu)的獨特之處在于其機械增益是可變的：當(dāng)腿蜷縮時(當(dāng)機器人或動物處于蹲伏狀態(tài)時)，具有非常低的機械增益;而在跳躍運動開始時，盡可能地保持低機械增益;然后，隨著跳躍運動進行和腿部伸展，機械增益迅速增加。

　　實質(zhì)上，這種技巧減緩了起跳的過程，從而保證了足部與地面接觸更多的時間。霍爾丹稱夜猴的這種蹲伏狀態(tài)為“超蜷縮”(super crouch)。

　　機械增益(mechanicaladvantage，MA)模塊作為腿部伸展功能?？ㄍ▓D表示機器人腿部機構(gòu)完全蹲伏以及完全伸展的狀態(tài)。

　　這種基于機械增益調(diào)節(jié)的蹲伏狀態(tài)使得Salto機器人在起跳階段與地面的接觸時間增加60毫秒。雖然，60毫秒聽起來微乎其微、甚至察覺不到，但相比于不可變機械增益系統(tǒng)，Salto的這種可變機械增益使得通過其腿部傳輸?shù)哪芰刻嵘^兩倍之多!相應(yīng)的跳躍功率提升了接近3倍!

　　類似Salto但僅使用串聯(lián)彈性驅(qū)動器(不具備可變機械增益)的跳躍機器人能夠跳到0.75米，而Salto(具有可變機械增益)能夠跳躍高達1米。

　　各種動物(藍色方塊)及機器人系統(tǒng)(灰色圓點)的跳躍高度增益和跳躍頻率。圖中三條灰色雙曲線分別表示三個敏捷性常數(shù)0.3 m/s、1 m/s和2m/s。紅色圓點表示伯克利研究者的微型跳躍機器人。

　　這就是Salto如此酷的地方：僅利用一個仿生動物腿部設(shè)計的小花招，就能獲得跳躍性能的巨大提升!雖然目前Salto還不能完全匹敵夜猴，但足以和牛蛙表現(xiàn)的一樣好(如圖紅點位置)。

　　此外，炫酷的Salto已經(jīng)能夠輕松彈離墻面玩“跑酷”運動(Parkour)——利用垂直墻面增加Salto的彈跳高度或者改變彈跳方向。當(dāng)然，你可能已經(jīng)注意到Salto目前還沒有很多感知能力，其跳躍運動也是開環(huán)的。Salto利用旋轉(zhuǎn)慣性尾定位自身，但其尚不能獨立適應(yīng)不同的表面。

　　研究人員稱，下一步計劃包括研究新的運動模式以及集成傳感器實現(xiàn)多級跳躍。此外，還有可能增加一條腿(或三條腿)進行有意思的研究，但至少在近期，霍爾丹稱其將繼續(xù)挖掘單腿版本的Salto的潛力。

　　此外，值得一提的是，Salto使用的可變機械增益腿部結(jié)構(gòu)能夠兼容大多數(shù)使用串聯(lián)彈性驅(qū)動器(SEA)的其他腿式機器人，如StarlETH、ANYmal或ATRIAS。這種可變機械增益結(jié)構(gòu)如何提升其他平臺的性能和效率，我們拭目以待。