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最近幾年，四足機械狗逐漸成為科技界和市場上的“新寵”，奔跑、爬樓梯、前進、后退、甚至翻跟頭，每次它們的出現都會掀起一片熱潮。

 

與輪式、履帶式機器人相比，四足機器人擁有更好的平衡性、靈活性、適應性，不過要想讓四足機器人走得更遠，研究在不平坦地形上的腿結運動穩定性非常重要。

最近，北京理工大學的研究人員設計了一種具有并行對稱腿結構的四足機械狗，并應用了一種自適應算法，使機械狗無需額外的感知或視覺支持就能快速估計全地形信息，在草地和巖石等復雜地形上如履平地。

 

▍四足機械狗的誕生三部曲 

1、四足機械狗誕生的第一步：考慮什么樣的腿結構能讓機械狗走得穩

 

 

動態運動初步由地面反作用力（GRF）決定，可以通過腿結構和執行器來表征，研究人員對不同的腿結構進行了數值模擬，采用了能夠產生更大的地面反作用力（GRF）的對稱并聯腿結構。

 

機械狗的腿由強度高、重量輕的碳纖維制成，再配備高精度編碼器、六軸慣性測量單元、每只腳下的三維力傳感器，控制器、驅動器和電池都位于機器人的中心。這樣下來，機械狗整體質量約為 40 kg，腿長為 0.6 m。

 

  

2、接下來，就要用控制算法讓機械狗學會自己走路

研究人員利用了二次規劃（QP）優化的虛擬模型控制（VMC）算法，該方法可利用虛擬力“驅使”機械狗達到期望的運動狀態，這些虛擬力通過Jacobian矩陣計算得到期望的關節力矩，作為控制關節的輸入，讓機械狗達到和虛擬力相同的運動效果。

 

  

3、光會走路還不行，此刻的機械狗就像一個沒學會走路的孩子跌跌撞撞，容易摔跤

研究人員提出了一種快速估計全地形信息的方法，讓機械狗能在復雜地形下自適應調整平衡、身體狀態和擺腿運動。該方法基于廣義最小二乘法，通過融合身體、腿部和接觸信息來估計地形參數，腳步坐標是通過融合來自 IMU 的軀干方向信息和關節編碼器信息獲得的，無需額外感知或視覺支持。

 

 

▍實地遛‘狗’

為了驗證機械狗的真實運動能力，研究人員進行了三個室外實驗，實地遛‘狗’

 

機械狗分別上了斜坡、草地和巖石，并保持穩定的小跑步態，因為水平的 GRF 值很小，機械狗在斜坡上也沒有腳滑。

 

 

研究人員還給機械狗裝了一條機械臂，不過沒有用來抓取物體，只是作為質量干擾物來驗證機械狗的穩定運動能力。結果表明，機械狗在不平坦地形上具有較強的自適應能力，還能夠抵抗一定的外部沖擊。

 

 

這篇研究發表在Cyborg and Bionic Systems 期刊中，標題為“Design and Dynamic Locomotion Control of Quadruped Robot withPerception-Less Terrain Adaptation”（無感知地形適應四足機器人的設計與動態運動控制）。

 

 

該機械狗目前能夠進行多種動態運動和無感知地形適應，身上安裝的那只機械臂也會帶來無限期待，未來研究人員計劃優化機械狗的高動態運動，也許有一天能看到它在草地上一邊揮舞著機械臂，一邊奔跑、跳躍的身影。