机器之心报道
机器之心编辑部
最近，各式机器人可以说是十分火热了。今年，腾讯发布了多模态四足机器人 Max，继 Max 之后，轮腿式机器人 Ollie，也能完成跳跃、360 度空翻等高难度动作。而 MIT 的研究人员也推出了一种可以执行后空翻等杂技动作的新型类人机器人，并提出了设计核心「执行器感知的动力学运动计划器」和「着陆控制器」。
创造一个可以后空翻、旋转跳跃、越过障碍物的机器人是非常具有挑战性的，因为这些机器人通常需要复杂的硬件设计、运动计划器和控制算法。
后空翻领域最知名的机器人选手，是来自波士顿动力的 Atlas。它可以单脚站立，可以翻跟斗，甚至可以做出芭蕾舞步，但人们 Atlas 背后的技术秘密知之甚少。
最近，来自麻省理工学院和马萨诸塞州大学阿默斯特分校的研究人员设计了一种可以执行后空翻等各种杂技动作的新型类人机器人，并提出了设计核心 - 执行器感知的动力学运动计划器和着陆控制器，目前相关论文已经上传在 arXiv 平台。
论文链接：https://arxiv.org/pdf/2104.09025.pdf
负责开发机器人软件和控制器的研究者 Donghyun Kim 表示：「在这项工作中，我们试图提出一种控制算法以使类人机器人执行各种杂技动作，并为此首先通过实验确定了执行器的性能和运动计划器的主要局限性。」
为了执行高度动态的行为，机器人通常需要有效地利用执行器。大多数现有的机器人设计都不能完全解决与硬件相关方面的挑战，例如在高扭矩、高速运动期间可能发生的电压下降。
正如 Donghyun Kim 所说：「对机器人来说，执行动态运动是一项挑战，因为他们的操作员必须首先了解硬件和软件之间的关系。我们基于对机器人硬件积累的经验和知识，试图使用控制算法来解决动态运动中的关键硬件局限性。」
Donghyun Kim 及其合作者开发了一种新方法，可以处理在运动计划和控制过程中与高度动态的机器人行为相关的约束。结合他们提出的机器人设计，就可以实现更多例如杂技表演的动态运动。
这一新型的类人机器人与过去开发的其他类人机器人之间最明显的区别就是执行器。研究者通过几款四足机器人，包括 MIT Cheetah 猎豹 1、2、3 以及 mini Cheetah 机器人的出色性能证明了执行器技术的显著改进。新型的类人机器人应用了相同的执行器技术，具有高度可反向驱动、快速精确的扭矩控制等特点，以及紧凑坚固的外形。
具体而言，MIT Cheetah 机器人的设计独特地结合了扭矩密集型电动机、高带宽力控制以及通过反向驱动减轻音响的能力。这种设计范式允许机器人产生将自身推进到空气中所需的脉冲，同时还提供机械鲁棒性，使其能够控制在着陆时发生的高速撞击。采用了相同的设计原则，接近最终设计的虚拟模型如下图所示。
下图所示机器人高约 0.7 m，重约 21 kg。大约 75.6% 的质量集中在机器人的躯干、肩部和臀部，22.5% 在机器人的腿，其余 1.9% 在机器人的手臂。机器人的每条腿都有五个定制的执行器：三个用于臀部，一个用于膝盖，一个用于脚踝的间距。膝关节、踝关节和肘关节包含一个皮带传动系统，可在这些关节处提供更高的扭矩。每条腿可以在每只脚上产生 3D 地面反作用力以及围绕每只脚的俯仰轴和偏航轴的力矩，执行器设置详见下图。系统将由高性能 60V、3Ah 电池组供电，四个无线接触传感器被安装在每只脚的脚后跟和脚趾上，以检测接触时间。
随后，Donghyun Kim 和他的同事在仿真中测试了他们的机器人设计、运动计划器、着陆控制器以及各种杂技行为。
可以高效完成各种复杂任务是将来 MIT 类人机器人研发的目标。同时，研究人员计划在现实世界中测试他们的设计、运动计划器、控制算法。
「我们会继续在真实的机器人中测试开发的控制算法，并推动有腿机器人的动态能力，」 Donghyun Kim 说。「我们还计划将感知系统整合到我们的控制算法中，让机器人更加能够对外部环境的变化做出响应。」