約翰霍普金斯大學(xué)開(kāi)發(fā)“全能小強(qiáng)”機(jī)器人，可翻越復(fù)雜三維地形，還能自我糾正！

小強(qiáng)，學(xué)名蟑螂，一個(gè)身形較小卻能讓無(wú)數(shù)猛男聞風(fēng)喪膽的生物。

它常年混跡在人類(lèi)無(wú)法窺探到的“隱秘角落”，偶爾的閃現(xiàn)勢(shì)必引發(fā)一片嚎叫和追逐。
只是在這場(chǎng)速度的較量中，我們常常落在下風(fēng)，有時(shí)眼看著它們即將命喪于自己的“無(wú)情鐵腳”之下，但這只靈活的小妖精轉(zhuǎn)眼間就消失不見(jiàn)。 雖然蟑螂很可惡，但能否把這種能力用在機(jī)器人身上呢？ 最近，約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種腿式機(jī)器人，叫做Omni-Roach（全能小強(qiáng)），不僅外形形似蟑螂，還具有和蟑螂一樣超強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力，可以穿越復(fù)雜的三維地形，使用翅膀、尾部運(yùn)動(dòng)來(lái)克服顛簸，還具有自我糾正機(jī)制！

“全能小強(qiáng)”之翻山越嶺

“全能小強(qiáng)”機(jī)器人是如何翻山越嶺的？ 橢圓形的身體，可以幫助機(jī)器人繞過(guò)柱子，以保持所需的轉(zhuǎn)彎模式：

跨越大型障礙物時(shí)，具有俯仰自由度的靈活“小尾巴”可以利用慣性效應(yīng)將身體向上俯仰：

如果要通過(guò)密集雜亂的，如草叢等地形時(shí)，“全能小強(qiáng)”可以靈活的“滾”入縫隙，并通過(guò)大幅度的身體擺動(dòng)提供動(dòng)能。
如果一不小心翻肚了怎么辦？機(jī)器人具有自我糾正機(jī)制，會(huì)張開(kāi)“翅膀”，并且不斷地蹬腿，直到把自己翻過(guò)來(lái)：

總的來(lái)說(shuō)，“全能小強(qiáng)”有以下幾個(gè)身體特征：
（1）一個(gè)圓形的身體，可以幫助機(jī)器人被動(dòng)地偏離剛性的垂直障礙物，并滾動(dòng)到縫隙中，穿過(guò)雜亂的柔性障礙物。

（2）具有俯仰和偏航自由度的尾巴，使身體向上傾斜，穿過(guò)大的水平障礙物，并產(chǎn)生身體振蕩，穿越雜亂的靈活的障礙物和自我恐懼。

（3）打開(kāi)頂部外殼作為翅膀的能力，圓形機(jī)身外殼分為上半部和下半部，頂部分為左右兩半，每個(gè)都可以通過(guò)伺服電機(jī)滾動(dòng)打開(kāi)。

小小版“全能小強(qiáng)”運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)一步提高

這樣的“全能小強(qiáng)”機(jī)器人已經(jīng)能夠完成多種復(fù)雜三維地形和自我糾正的挑戰(zhàn)，研究人員又進(jìn)一步減小了機(jī)器人的三分之一的尺寸，重量減少了一半多，使其更加靈活。

盡管機(jī)器人的底盤(pán)更短、更扁平，但小小版“全能小強(qiáng)”的腿長(zhǎng)與之前相同，相對(duì)于身體尺寸而言，腿的伸展范圍更大；尾部相對(duì)于身體長(zhǎng)度加長(zhǎng)，以減少底盤(pán)與地面的接觸。

研究人員還使用了更小、更快的伺服電機(jī)，腿也從C形變?yōu)镾形，在所有實(shí)驗(yàn)中電機(jī)以最大速度運(yùn)行。 這樣一來(lái)，小小版“全能小強(qiáng)”可以向上傾斜以爬過(guò)2.5倍臀部高度的最大顛簸高度，且在10次測(cè)驗(yàn)中，成功率為80%。

在穿越縫隙時(shí)，它可以穿越13.5厘米的間隙（68%體長(zhǎng)），而之前最好的成績(jī)是17厘米；同時(shí)它能跑的更快，步幅頻率大約是之前的三倍。

這種性能提升主要是由于改變了身體尺寸后，機(jī)器人的相對(duì)腿長(zhǎng)（從14%到25%體長(zhǎng)）和相對(duì)尾長(zhǎng)（從54%到73%體長(zhǎng)）的增加，同時(shí)也保持了腿部相對(duì)推進(jìn)力。

下一步：更快更自主

目前，已經(jīng)有很多機(jī)器人具備了多功能運(yùn)動(dòng)的能力，從行走、跳躍、攀爬、游泳、爬行和抓握的毫米級(jí)軟機(jī)器人，到跨越空中、水上和地面運(yùn)動(dòng)的大型機(jī)器人。然而，如何利用身體來(lái)產(chǎn)生多模態(tài)運(yùn)動(dòng)并穿越復(fù)雜的三維地形仍然知之甚少。

這種方法使機(jī)器人能夠破壞身體的穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)渡，以穿越與身體大小相當(dāng)?shù)碾s亂障礙物，這顯著擴(kuò)展了可訪(fǎng)問(wèn)的地形，在搜索和救援以及地外探索等應(yīng)用上非常有前景。
未來(lái)，研究人員計(jì)劃使用更小更快的電機(jī)，并繼續(xù)增加“全能蟑螂”的腿部自由度，從而產(chǎn)生更高的速度并進(jìn)一步增加身體俯仰以跨越高障礙物；同時(shí)，研究人員打算開(kāi)發(fā)算法，讓機(jī)器人啟用自主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，并使用有關(guān)地形交互的感知信息進(jìn)行反饋控制。 論文鏈接：

https://doi.org/10.48550/arXiv.2112.10614