南航壁虎機(jī)器人，脊柱靈活彎曲，可在堅(jiān)硬和軟斜坡上快速爬行
大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂
還記得那個(gè)和漫威角色同名的“毒液”材料嗎？
當(dāng)時(shí)，南京航空航天大學(xué)的研究人員受壁虎啟發(fā)，用“毒液”充當(dāng)機(jī)器人的“壁虎的腳”，來粘附和適應(yīng)各種表面，以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)動。
顯然，研究到這里還沒結(jié)束。這次，他們開始研究起了壁虎的脊柱，還開發(fā)了一款能像壁虎一樣穩(wěn)定爬坡的機(jī)器人—— Slalom ！
機(jī)器人“Slalom”可以在傾斜和柔軟的表面快速爬行，其重量僅為2.45公斤，看起來和壁虎還真挺像！爬坡時(shí)扭來扭去的樣子憨憨的還有點(diǎn)可愛，就是少了一條像壁虎一樣靈活的小尾巴~
模仿壁虎脊柱：從記錄真實(shí)壁虎運(yùn)動數(shù)據(jù)開始
機(jī)器人的名字“Slalom”起得很有趣，中文譯名是“回轉(zhuǎn)彎”，與壁虎的彎曲脊柱對應(yīng)。
壁虎的脊柱有什么特別呢？
壁虎在任何方向都能靈活穩(wěn)定地移動，這不僅僅取決于它的尾巴和粘性十足的腳，脊柱也起了關(guān)鍵性的作用：壁虎具有8-11 個(gè)活動關(guān)節(jié)的分段脊柱，可以靈活彎曲，在爬行、轉(zhuǎn)彎、跳躍、保持身體穩(wěn)定性等運(yùn)動過程中可以與四肢運(yùn)動相協(xié)調(diào)。
同時(shí)，壁虎在跑起來的時(shí)候，脊柱會呈現(xiàn)出橫向起伏模式的駐波和行波，這也增強(qiáng)了運(yùn)動穩(wěn)定性。
為了更準(zhǔn)確的研究這種運(yùn)動，南京航空航天大學(xué)的研究人員使用高速相機(jī)記錄了真實(shí)壁虎的運(yùn)動，將壁虎身體表示為笛卡爾坐標(biāo)中的十個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，這些點(diǎn)被轉(zhuǎn)換為連續(xù)曲線作為身體的假設(shè)中線（身體插值），然后使用MATLAB中的多項(xiàng)式曲線擬合函數(shù)（polyfit）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
經(jīng)過多個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的迭代評估，并協(xié)調(diào)了誤差與復(fù)雜性，研究人員最終選擇將機(jī)器人“Slalom”的脊柱設(shè)計(jì)為3個(gè)關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)可以在運(yùn)動中圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)± 60度，彎曲體運(yùn)動時(shí)，機(jī)器人可以周期性的旋轉(zhuǎn)，這能夠再現(xiàn)壁虎的脊柱運(yùn)動。
同時(shí)，壁虎機(jī)器人的四肢設(shè)計(jì)也很重要，機(jī)器人“Slalom”的每個(gè)四肢都具有4個(gè)自由度，包括肢體與肩部/髖關(guān)節(jié)連接處的兩個(gè)、肘部/膝蓋，以及手腕/腳踝。壁虎柔順的腳趾在機(jī)器人中被簡化為由兩層組成的簡單結(jié)構(gòu)，頂部由鋁制成，連接一個(gè)球關(guān)節(jié)，可為腳提供三個(gè)被動自由度，讓腳在接觸平面時(shí)可以被動的自我調(diào)整。
基于CPG的神經(jīng)控制
機(jī)器人“Slalom”使用了一種基于 CPG模型的神經(jīng)控制。
我們先來說說CPG是什么，全稱為Central pattern generators，中樞模式發(fā)生器，這是一種在無脊椎動物和脊椎動物中都存在的神經(jīng)回路，它可以在不接收節(jié)律輸入的情況下產(chǎn)生神經(jīng)活動的節(jié)律模式，“中樞(cenntral)”一詞表明產(chǎn)生節(jié)律不需要感覺反饋。
CPG模型具有分布式控制、處理冗余的能力、快速控制循環(huán)以及允許通過簡單的控制信號來調(diào)節(jié)運(yùn)動，當(dāng)這些性質(zhì)轉(zhuǎn)化為到數(shù)學(xué)模型時(shí)，CPG就可以很好的運(yùn)用于機(jī)器人的運(yùn)動控制。
在機(jī)器人“Slalom”的CPG應(yīng)用中，整個(gè)神經(jīng)控制系統(tǒng)具有三個(gè)組成部分：
1.神經(jīng)調(diào)節(jié)功能的 CPG 機(jī)制，用于產(chǎn)生不同的周期信號和分流抑制，用于改變身體關(guān)節(jié)運(yùn)動；
2. CPG 后處理，用于塑造 CPG 信號以獲得平滑的關(guān)節(jié)運(yùn)動；
3. 運(yùn)動神經(jīng)元，用于向回轉(zhuǎn)的所有關(guān)節(jié)發(fā)送最終的運(yùn)動位置命令。
機(jī)器人攀爬實(shí)驗(yàn)
研究人員進(jìn)行了機(jī)器人“Slalom”的攀爬實(shí)驗(yàn)，測試它在不同的固體和軟傾斜表面上爬行的能量效率。在運(yùn)動過程中，基于 CPG 的控制，機(jī)器人可以產(chǎn)生小跑步態(tài)，身體擺動具有與四肢很好協(xié)調(diào)的C形駐波。
為了顯示 “壁虎脊柱”形態(tài)的有效性，研究人員還對比了脊柱可彎曲、和脊柱不可彎曲的機(jī)器人的爬坡能力。
（脊柱可彎曲機(jī)器人順利爬上25度斜坡）
（脊柱不可彎曲機(jī)器人明顯爬不動了）
“脊柱可彎曲”機(jī)器人分別攀爬傾斜達(dá) 30 度的硬表面和 25 度的柔軟表面，而在相同的傾斜表面上，“脊柱不可彎曲”機(jī)器人開始在實(shí)心坡上滑動并卡在軟坡上。
這篇文章發(fā)表在IEEE Xplore上，論文標(biāo)題為：Lateral Undulation of the Bendable Body of a Gecko-Inspired Robot for Energy-Efficient InclinedSurface Climbing
從“毒液”到“壁虎脊柱”，未來，研究人員將繼續(xù)對壁虎這個(gè)可愛的小動物進(jìn)行研究，同時(shí)，也會在控制系統(tǒng)上下功夫。
在論文的結(jié)尾，研究人員表示他們將使用具有快速學(xué)習(xí)機(jī)制的延遲線和運(yùn)動前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展基于 CPG 的單個(gè)控制，以自動獲取多種步態(tài)和各種身體模式，這種擴(kuò)展將使機(jī)器人有效地實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動模式，例如步行、游泳和攀爬；也會嘗試自適應(yīng)肌肉模型來設(shè)計(jì)類似于真正的壁虎般靈活的身體的彈性特性。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9506933
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