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    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中

    來源:小編  |  發布時間: 2019-08-01  |  331 次瀏覽

    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖1)

    導讀

    SpaceBok是由瑞士蘇黎世聯邦理工學院和蘇黎世應用科技大學的學生團隊研制的四足機器人,設計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技術中心進行測試。



    Spacebok=太空+跳羚 


    月球上的宇航員通過雙腳跳躍的方式進行移動,而不是采用雙腳交替行走的方式,因為在低重力環境下,跳躍是一種非常有效的移動方式。SpaceBok機器人的設計靈感就來源于此,為了探索四足機器人在低重力環境下的“動態行走”。


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖2)


    所謂“動態行走”就是行走步態中存在四足全都不著地的騰空期,“動態行走”具有優秀的能效,在動物界中較為常見。Spacebok機器人則是仿生了跳羚實現快速移動的跳躍步態。Spacebok的名稱也來自太空(Space)和跳羚(Springbok)兩個單詞的結合。


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖3)


    SpaceBok的招牌太空步是連續的跳躍移動,非常具有節奏感。連續跳躍的高度比單次垂直跳躍的高度低的原因是連續跳躍需要考慮機器人下落時的緩沖,而單次跳躍沒有考慮。




    模擬太空環境的測試 


    月球上的重力加速度是地球上的1/6,所以在地球上連續跳躍高度看似一般的SpaceBok在月球上每次跳躍的高度可能會達到2米。當它離開地面時,四足機器人需要穩定自身再次安全降落在地面上,此時SpaceBok表現得像一個迷你宇宙飛船。


    為了驗證SpaceBok機器人在月球上的平衡穩定控制算法和跳躍性能,歐洲宇航局的技術中心搭建了模擬月球重力加速度的實驗裝置。


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖4)


    SpaceBok機器人從側面固定在了一根與水平面成一定夾角的斜向導軌上,導軌的最低端固定了一塊與斜向導軌垂直的木板用于模擬月球的地面。機器人從導軌高側向低側滑下來的加速度就是重力加速度沿斜向導軌方向上的分量,因此只要斜向導軌與水平面的夾角合適就能保證機器人沿導軌下滑的加速度是重力加速度的1/6,從而實現了月球環境的模擬。


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖5)


    雖然目前SpaceBok機器人在模擬的月球環境中的跳躍高度只有1.3米,還沒有達到預期的2米,但是它能很好的利用軀干位置處的反作用輪實現空中和著地時刻的姿態控制。


    為了進一步模擬小行星非常低的重力環境,SpaceBok機器人側身安裝在了一個自由浮動平臺上,保證了它在除側身方向外的另外兩個方向上沒有重力加速度。


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖6)


    當SpaceBok機器人從一側墻壁往另一側墻壁運動時,它的反作用輪能夠控制它準確的旋轉軀干以保證足端而不是軀干與另一側墻壁發生碰撞,從而讓它再次落到另一側墻壁,如此周而復始的運動模擬了低重力環境下單個表面的連續跳躍。


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖7)


    目前SpaceBok機器人在歐洲宇航局的測試進展順利,后續將在包括障礙物、丘陵地形和真實土壤的環境中測試以及戶外測試。




    緊湊而輕量化的設計 


    SpaceBok是為太空探索而設計的四足機器人,所以在結構設計方面更加的緊湊和輕量化,以減小發射成本,它在結構方面具有以下幾個特點:


    ?使用高功率密度的力矩電機作為關節驅動單元,不僅可以減小驅動單元的重量,同時大力矩低減速比的驅動配置非常有利于關節的力矩控制;


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖8)


    ?采用一體化彈簧可以有效地緩解四足機器人著地時各足端的沖擊力實現安全降落,同時進行儲能,使機器人的下一次跳躍更高,從而減低關節的驅動功耗,提高了SpaceBok的續航能力,這個優勢在外太空也是非常重要的;


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖9)


    ?大量使用碳纖維結構,實現機器人本體的輕量化設計,同時也保證了四足機器人的強度;


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖10)


    ?可完全折疊的腿部結構設計,可以有效地減小運輸空間;


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖11)


    ?借鑒傳統衛星的姿態控制裝置,研究人員在四足機器人的軀干位置安裝了反作用輪,通過它的加速和減速控制Spacebok的平衡。


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖12)


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


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖13)


    作為一名四足機器人,SpaceBok當然可以實現對角小跑的步態。


    蘇黎世大學四足機器人,在月球垂直跳可達2米,歐洲宇航局對其測試中(圖14)


    最后再通過視頻欣賞一下Spacebok在低重力世界中的“太空步”吧~




    來源:機器人大講堂   

    作者:欣欣向文  編輯:Monday




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