蘇黎世理工研發(fā)四足登月機(jī)器人,探索低重力環(huán)境下的“動(dòng)態(tài)行走”

SpaceBok是由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)研制的四足機(jī)器人，設(shè)計(jì)用于在月球或者小行星等低重力體上行走，目前SpaceBok正在歐洲宇航局的ESTEC技術(shù)中心進(jìn)行測(cè)試。

月球上的宇航員通過(guò)雙腳跳躍的方式進(jìn)行移動(dòng)，而不是采用雙腳交替行走的方式，因?yàn)?strong>在低重力環(huán)境下，跳躍是一種非常有效的移動(dòng)方式。SpaceBok機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感就來(lái)源于此，為了探索四足機(jī)器人在低重力環(huán)境下的“動(dòng)態(tài)行走”。

所謂“動(dòng)態(tài)行走”就是行走步態(tài)中存在四足全都不著地的騰空期，“動(dòng)態(tài)行走”具有優(yōu)秀的能效，在動(dòng)物界中較為常見(jiàn)。Spacebok機(jī)器人則是仿生了跳羚實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)的跳躍步態(tài)。Spacebok的名稱也來(lái)自太空（Space）和跳羚（Springbok）兩個(gè)單詞的結(jié)合。

SpaceBok的招牌太空步是連續(xù)的跳躍移動(dòng)，非常具有節(jié)奏感。連續(xù)跳躍的高度比單次垂直跳躍的高度低的原因是連續(xù)跳躍需要考慮機(jī)器人下落時(shí)的緩沖，而單次跳躍沒(méi)有考慮。

模擬太空環(huán)境的測(cè)試

月球上的重力加速度是地球上的1/6，所以在地球上連續(xù)跳躍高度看似一般的SpaceBok在月球上每次跳躍的高度可能會(huì)達(dá)到2米。當(dāng)它離開(kāi)地面時(shí)，四足機(jī)器人需要穩(wěn)定自身再次安全降落在地面上，此時(shí)SpaceBok表現(xiàn)得像一個(gè)迷你宇宙飛船。

為了驗(yàn)證SpaceBok機(jī)器人在月球上的平衡穩(wěn)定控制算法和跳躍性能，歐洲宇航局的技術(shù)中心搭建了模擬月球重力加速度的實(shí)驗(yàn)裝置。

SpaceBok機(jī)器人從側(cè)面固定在了一根與水平面成一定夾角的斜向?qū)к壣希瑢?dǎo)軌的最低端固定了一塊與斜向?qū)к壌怪钡哪景逵糜谀M月球的地面。機(jī)器人從導(dǎo)軌高側(cè)向低側(cè)滑下來(lái)的加速度就是重力加速度沿斜向?qū)к壏较蛏系姆至浚虼酥灰毕驅(qū)к壟c水平面的夾角合適就能保證機(jī)器人沿導(dǎo)軌下滑的加速度是重力加速度的1/6，從而實(shí)現(xiàn)了月球環(huán)境的模擬。

雖然目前SpaceBok機(jī)器人在模擬的月球環(huán)境中的跳躍高度只有1.3米，還沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的2米，但是它能很好的利用軀干位置處的反作用輪實(shí)現(xiàn)空中和著地時(shí)刻的姿態(tài)控制。

為了進(jìn)一步模擬小行星非常低的重力環(huán)境，SpaceBok機(jī)器人側(cè)身安裝在了一個(gè)自由浮動(dòng)平臺(tái)上，保證了它在除側(cè)身方向外的另外兩個(gè)方向上沒(méi)有重力加速度。

當(dāng)SpaceBok機(jī)器人從一側(cè)墻壁往另一側(cè)墻壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的反作用輪能夠控制它準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)軀干以保證足端而不是軀干與另一側(cè)墻壁發(fā)生碰撞，從而讓它再次落到另一側(cè)墻壁，如此周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)模擬了低重力環(huán)境下單個(gè)表面的連續(xù)跳躍。

目前SpaceBok機(jī)器人在歐洲宇航局的測(cè)試進(jìn)展順利，后續(xù)將在包括障礙物、丘陵地形和真實(shí)土壤的環(huán)境中測(cè)試以及戶外測(cè)試。

緊湊而輕量化的設(shè)計(jì)

SpaceBok是為太空探索而設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面更加的緊湊和輕量化，以減小發(fā)射成本，它在結(jié)構(gòu)方面具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

使用高功率密度的力矩電機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元，不僅可以減小驅(qū)動(dòng)單元的重量，同時(shí)大力矩低減速比的驅(qū)動(dòng)配置非常有利于關(guān)節(jié)的力矩控制；

采用一體化彈簧可以有效地緩解四足機(jī)器人著地時(shí)各足端的沖擊力實(shí)現(xiàn)安全降落，同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能，使機(jī)器人的下一次跳躍更高，從而減低關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)功耗，提高了SpaceBok的續(xù)航能力，這個(gè)優(yōu)勢(shì)在外太空也是非常重要的；

大量使用碳纖維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)也保證了四足機(jī)器人的強(qiáng)度；

可完全折疊的腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效地減小運(yùn)輸空間；

借鑒傳統(tǒng)衛(wèi)星的姿態(tài)控制裝置，研究人員在四足機(jī)器人的軀干位置安裝了反作用輪，通過(guò)它的加速和減速控制Spacebok的平衡。

看似矮小的SpaceBok四足機(jī)器人在地球上的垂直起跳高度就達(dá)到了1米，超出了大部分人類的彈跳力。

作為一名四足機(jī)器人，SpaceBok當(dāng)然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角小跑的步態(tài)。