機器狗逐漸“貓化”，利用簡單的反射電路和肌肉重現(xiàn)讓機器狗走貓步！
大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自機器人大講堂
讓機器狗走貓步，是種什么樣的體驗？
有位日本小哥有話要說，他發(fā)明了一只長47厘米，重7.6公斤的機器狗，外表平平無奇，卻在跑步機上走起了貓步。
有人質(zhì)疑“這哪像貓步了？和其他的機器狗走路沒兩樣??！”
其實，看似平凡的步伐，實則暗藏玄機。
它沒有用諸如波士頓動力般復(fù)雜的算法構(gòu)架，而是復(fù)刻了貓咪走路時的反射行為，利用動物神經(jīng)和肌肉的特征讓機器狗逐漸“貓化”。
不僅如此，還在《Frontiers in Neurorobotics（神經(jīng)機器人學(xué) 前沿）》上發(fā)表了論文。
復(fù)刻貓咪，走出六親不認的步伐
想走貓步，得先知道貓是怎么行走的。
當貓咪的jiojio踏在地面時，膝蓋肌肉受到力，腰部就會向后移動；腰部肌肉受到力的話，膝蓋則會伸長，兩個部位之間發(fā)生自動聯(lián)動，“六親不認”的步伐就這樣走起來了。
從膝蓋延伸到腰部的回路，反過來從腰部延伸到膝蓋的回路，這種交叉發(fā)揮作用在研究中被稱為“反射回路”，它可以產(chǎn)生穩(wěn)定的步態(tài)和腿部運動軌跡。近年來的研究也表明，貓咪行走時不需要大腦內(nèi)部神經(jīng)的復(fù)雜交互，而是利用這種反射回路來進行穩(wěn)定的運動。
反射電路與肌肉特性的再現(xiàn)
那么問題又來了，機器狗又沒有肌肉，也沒有神經(jīng)，怎樣將這種“反射回路”運用在機器狗身上呢？
這里主要解決兩個問題，首先，是肌肉特性的建模。
日本小哥利用了希爾肌肉模型，來重現(xiàn)機器狗的肌肉特征。
在模型中，機器狗的兩條腿重現(xiàn)了具有虛擬旋轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)和臀部與腳之間的線性關(guān)節(jié)，伸肌和屈肌放置在每個虛擬關(guān)節(jié)上，虛擬旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和線性關(guān)節(jié)的肌肉分別對應(yīng)于貓咪的腰部肌肉和膝蓋肌肉。
重現(xiàn)了肌肉模型后，就要建立機器狗的腰部和膝蓋伸肌之間的“反射回路”模型。
日本小哥在肌肉模型中嵌入了興奮性反射通路，如果膝蓋關(guān)節(jié)接收器感測到地面反作用力，則肌肉會將信號延伸到腰部接收器；反過來，如果腰部伸肌完全伸展并產(chǎn)生張力，則肌肉會“感受”到信號啟動，傳遞給膝蓋關(guān)節(jié)，進行姿勢的轉(zhuǎn)變。
機器狗的“貓步”步行實驗
來吧，模型都建好了，跑步機上走起來！
把機器狗放在跑步機上，無需按開關(guān)，腳上的接收器一旦獲得地面的反作用力，立刻激活反射電路。
剛開始的兩步有點跌跌撞撞，不過越走越穩(wěn)定。
機器狗安裝了微控制器（Teensy 3.6）提供高級控制，從電動機驅(qū)動器接收到的角度信息來模擬虛擬肌肉和反射電路，并命令目標轉(zhuǎn)矩將其特性再現(xiàn)給電動機驅(qū)動器。
當切斷機器狗的反射回路后，狗的行走就會變得不穩(wěn)定，發(fā)生了腳無法從地面抬起的現(xiàn)象。
讓機器狗走貓步的這位日本小哥是大阪大學(xué)機械工程系的碩士研究生，他表示：“大部分的四足機器人的穩(wěn)定行走都利用了中央發(fā)射器（CPG），我們的研究證明，新穎的反射電路也能給“機器狗”穩(wěn)定的步態(tài)，實現(xiàn)能夠像動物一樣高效靈活地移動的機器人。”
【參考鏈接】
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnbot.2021.636864/fullhttps://www.youtube.com/watch?v=-iLHRhvDccA
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