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?UC Berkeley

加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)了一款彈跳機(jī)器人，其垂直跳躍高度比大多數(shù)普通人類(lèi)都高，并且還可以利用墻壁跳躍，彈離墻面落到另一個(gè)平臺(tái)。SALTO這個(gè)名字再合適不過(guò)了，因?yàn)檫@個(gè)詞表示翻越障礙地形的騰空運(yùn)動(dòng)。在拉丁語(yǔ)中，SALTO的意思也是“跳躍”。

參觀了位于加利福尼亞州門(mén)洛帕克市的FEMA城市搜索和救援培訓(xùn)站之后，加州大學(xué)伯克利分校機(jī)器人博士生Duncan Haldane與其團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了這種專(zhuān)為搜索和救援設(shè)計(jì)的機(jī)器人。SALTO小巧而輕便，在地震、火災(zāi)等不幸事件毀壞建筑物后，該機(jī)器人將能夠幫助人們克服在廢墟礫中尋找生命跡象遇到的各種挑戰(zhàn)和困難。

在機(jī)器人研發(fā)過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)公布了一項(xiàng)研究，其目的是評(píng)估利用具有機(jī)械效益適應(yīng)的機(jī)器人串聯(lián)彈性致動(dòng)器增加機(jī)器人垂直跳躍敏捷性的可行性。研究工作表明，機(jī)械效益（MA）適應(yīng)（其定義為腳部反作用力與致動(dòng)器施加力之間的比值）可以增加串聯(lián)彈性肌腱復(fù)合體傳遞的能量。SALTO采用了一種具有MA適應(yīng)（SE+MA）的機(jī)器人串聯(lián)彈性致動(dòng)器，事實(shí)證明，該結(jié)構(gòu)能夠有效積蓄能量并提供更大能量，實(shí)現(xiàn)更高跳躍，從而提高垂直跳躍敏捷度。

圖1.SALTO 的能量調(diào)制；圖中左側(cè)為能量調(diào)制系統(tǒng)模型（SE+MA），右側(cè)為機(jī)器人構(gòu)造示意圖。/ ?Haldane等，2016

設(shè)計(jì)靈感

Haldane研發(fā)SALTO模型的靈感來(lái)自動(dòng)物世界。經(jīng)過(guò)自然選擇，動(dòng)物們進(jìn)化出了許多逃離捕食者的特殊能力。其中，引起Haldane注意的是嬰猴，這種夜間靈長(zhǎng)目動(dòng)物能夠在4秒鐘內(nèi)連續(xù)跳躍5次之多。跳躍之前，它們首先會(huì)下蹲。嬰猴的最大垂直跳躍速度為2.2米/秒，而SALTO的速度為1.75米/秒，這打破了之前的機(jī)器人敏捷性紀(jì)錄（1.12米/秒）。

嬰猴的蹲伏行為有助于將能量?jī)?chǔ)存在肌腱中，從而實(shí)現(xiàn)更好的跳躍效果。他們蹲下的時(shí)間越長(zhǎng)，積蓄的能量就越多。將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的這種機(jī)制被稱(chēng)為能量調(diào)制。這是自然界中的一種適者生存現(xiàn)象，在生物力學(xué)文獻(xiàn)中也被稱(chēng)為能量放大。

得益于針對(duì)動(dòng)物和機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新跳躍度量和簡(jiǎn)單計(jì)算，SALTO展現(xiàn)了前所未有的敏捷性。Haldane及其團(tuán)隊(duì)將垂直跳躍敏捷性描述為“一個(gè)系統(tǒng)克服地球重力單次跳躍達(dá)到的高度乘以跳躍頻率”。垂直運(yùn)動(dòng)，比如攀爬或撲動(dòng)，可以用以下公式表示：

垂直跳躍敏捷性（米/秒）= h/（tstance + tapogee）,

其中h=跳躍高度；tstance=跳躍開(kāi)始后的總站立時(shí)間；tapogee=跳躍者離開(kāi)地面直到達(dá)到跳躍最高點(diǎn)（垂直速度為零）的飛行時(shí)間。

由于考慮了重力，垂直跳躍敏捷性受限于動(dòng)力重量比，只表示“動(dòng)物能夠改變多少能量狀態(tài)以及變化速度”，不考慮方向的改變或轉(zhuǎn)向行為。

圖2. 多種最敏捷系統(tǒng)在4秒鐘內(nèi)進(jìn)行的一系列重復(fù)垂直跳躍（從左到右）：平行彈性（EPFL跳躍者）、剛性跳躍（Minitaur機(jī)器人）、串聯(lián)彈性能量調(diào)制（SALTO）和嬰猴（Galagosenegalensis）。每個(gè)箭頭表示一次跳躍。/ ?Haldane等，2016

機(jī)器人物理原型

Haldane利用驅(qū)動(dòng)彈簧的電機(jī)將該機(jī)構(gòu)集成到機(jī)器人中，通過(guò)腿部機(jī)構(gòu)加載能量，以形成嬰猴的那種蹲伏。通過(guò)這種方式，SALTO能夠達(dá)到比單次跳躍更高的高度。

圖3.組裝好的嬰猴機(jī)器人，Salto / ?Haldane等，2016

該機(jī)器人由ImageProc PCB、一個(gè)六軸慣性測(cè)量單元 (https://github.com/biomimetics/imageproc_pcb; 固件: https://github.com/dhaldane/roach), 兩個(gè)位置傳感器（ams AS5047P & AS5048B）、無(wú)刷電機(jī)（Scorpion S-1804-1650KV）、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（Advanced Motion Controls AZB10A4）組成，并由一塊三芯11.1V 180 mAh鋰聚合物電池供電。腿部鏈接由碳纖維復(fù)合材料制成，比如蜂窩芯碳纖維和FR4玻璃纖維。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過(guò)2024精密鋁合金底棒（McMaster-Carr 9062K24）與聚合物襯套（igusInc JFM-0304-05）連接，而襯套和軸通過(guò)模塑聚氨酯組件（Innovative Polymers IE-3075）與碳纖維結(jié)構(gòu)集成在一起。

圖4.無(wú)需電子控制裝置的聯(lián)合機(jī)構(gòu)圖 / ?Haldane等，2016

SALTO是單腿機(jī)器人，由一個(gè)進(jìn)行能量調(diào)制的聯(lián)動(dòng)裝置、一個(gè)串聯(lián)彈性致動(dòng)器以及一個(gè)進(jìn)行姿態(tài)控制的慣性尾部組成。其重量?jī)H為100克（3.5盎司），完全伸展時(shí)身高為26厘米（10.2英寸），垂直跳躍敏捷性能夠達(dá)到嬰猴的78%。雖然有些機(jī)器人單次跳躍高度高于SALTO，但是SALTO仍是垂直方向上最敏捷的機(jī)器人。

控制板以1000 Hz的頻率測(cè)量機(jī)器人的身體角度、腿部位置和電機(jī)位置，并可以通過(guò)板載ZigBee用筆記本電腦控制。系統(tǒng)采用兩路獨(dú)立的線性反饋回路：“針對(duì)電機(jī)位置的比例控制器和針對(duì)身體角度的比例微分控制器”。身體角度通過(guò)一個(gè)單軸陀螺儀估算。用于彈離墻面的控制器是一個(gè)狀態(tài)機(jī)?？刂破鲉?dòng)時(shí)，將俯仰設(shè)定值設(shè)為機(jī)器人向前朝向墻面的角度。當(dāng)俯仰角達(dá)到一定閾值時(shí)，機(jī)器人觸發(fā)腿部伸展，形成跳躍。在空中，機(jī)器人將其腿部縮回，俯仰設(shè)定點(diǎn)設(shè)定為機(jī)器人接觸墻面的角度。

測(cè)量/實(shí)驗(yàn)

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，以確定機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)的最大高度增益和垂直跳躍敏捷性，比如運(yùn)動(dòng)時(shí)的墻面彈跳。對(duì)于垂直跳躍測(cè)試，他們將機(jī)器人放置在地板上，質(zhì)心位于腳部正上方，然后用一個(gè)步進(jìn)輸入將跳躍連桿驅(qū)動(dòng)到完全伸展。為了防止受控落地，這些試驗(yàn)沒(méi)有激活機(jī)器人的尾部。

然后，他們進(jìn)行了墻壁彈跳試驗(yàn)，機(jī)器人從地面跳到墻上，然后從墻面上彈離，整個(gè)過(guò)程中使用尾部進(jìn)行定向。

實(shí)驗(yàn)墻面是一塊0.25英寸厚的丙烯酸板，安裝在擠壓鋁框架上。為了增加摩擦力，他們?cè)诘匕迳戏?.88米處增加了一塊直徑為0.175米、0.25英寸厚的聚氨酯橡膠，作為機(jī)器人的墊腳之處。

這種來(lái)自生物學(xué)靈感的結(jié)構(gòu)將會(huì)啟發(fā)更多的人。此外，該團(tuán)隊(duì)希望繼續(xù)探索新的行為，比如人類(lèi)跑酷模型。跑酷也被稱(chēng)為自由飛躍，跑酷者利用自身運(yùn)動(dòng)跨越各種障礙物，比如墻壁、樓梯或建筑物之間的空隙。該團(tuán)隊(duì)希望能夠形成一系列連續(xù)跳躍的擴(kuò)展行為，以達(dá)到人們之前無(wú)法企及的運(yùn)動(dòng)極限。

Yulhane-Jerez Koh

Yulhane畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley），是一名生物力學(xué)工程師，同時(shí)也是美國(guó)deviceplus公司的執(zhí)行編輯。Yulhane的主要興趣在于群體機(jī)器人、機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。

審核編輯黃宇