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仿生六足机器人和足复合机器人皆是以特殊足部结构为特色的机器人

2017-09-26 15:40 来源于:未知
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史上最牛网导读: 仿生六足机器人和足复合机器人是什么类型的机器人? 由台湾大学机械所林沛群老师所带领的仿生机器人实验室(BioRoLa),主要研究领域是以「仿生机器人」为主轴,研究机器人足部

仿生六足机器人和足复合机器人是什么类型的机器人?

由台湾大学机械所林沛群老师所带领的仿生机器人实验室(BioRoLa),主要研究领域是以「仿生机器人」为主轴,研究机器人足部运动系统。其中最主要的两台机器人为六足仿生机器人(miniRHex)与轮足複合机器人(Quattroped),皆是以特殊的足部结构为特色的机器人。

林沛群老师说:「轮跟足之间有很大的差异,人在发展环境的过程中,若要使用轮必定要先将路剷平,所以轮是人创造出来的;但如果是生物体在自然且未开发的环境裡,经过时间的証实,演化出来最好用的还是足,这也是为什么生物体几乎是使用足来行走。而在日本机器人发展主要以人形为主,反倒是在美国机器人研究主要是轮型,而我是将研究的重点放在足部的运动。」

而轮足複合机器人(Quattroped)与六足仿生机器人(miniRHex)最主要的取材对象是「生物的步态」,林沛群老师根据生物在自然界中行走的模式与方法,製作出「仿生」机器人。以下将分别为大家介绍这两台机器人的独特之处。

六足仿生机器人(miniRHex)

六足仿生机器人藉由其多种步态来行走,可行走于崎区不平的路面、跨越障碍、爬上楼梯及斜坡。这台六足机器人的行走模式是参考在日常生活中,人们总是对敬而远之的生物──蟑螂。林老师说:「我在美国时,与一位柏克莱UC-Berkeley专门研究蟑螂运动的教授Prof. Robert Full讨论时发现,蟑螂看起来简单,但实际上却有很大的学问。牠们只须透过足部简单的交互运动,就能前进以及越过障碍,这其中必定有值得我们学习的部分。」

目前机器人的步态包含前进及后退,在速度上又可分为一般行走、慢跑及高速奔跑,但更特别的是不需足部翻转的蹬跳前进。而攀爬方面已可克服斜坡及楼梯,另外较为有趣的步态是利用机腹平坦部分来滑下楼梯,以及两组足部反向运动的原地旋转和足部瞬间出力的跳跃,现今林老师仍在努力于步态的开发,以提升机器人对于各种环境的适应性。

仿生六足机器人和足复合机器人皆是以特殊足部结构为特色的机器人
六足仿生机器人工程三视图。
仿生六足机器人和足复合机器人皆是以特殊足部结构为特色的机器人
▲六足仿生機器人。

 

轮足複合机器人(Quattroped)

林沛群老师实验室的另一台机器人──轮足複合机器人(Quattroped)是一台不论在室内或室外都可自由运行的机器人,这台複合式机器人的轮和足使用同一组动力来源,藉由「转换机构」可将轮足切换成足部或是轮型两种不同的移动模式。相对于前面提到的六足仿生机器人,可轮足变换的好处在于,平面时以轮的方式来移动,较为省力也可提升速度。

但由于轮、足两者运动模式所需的轴心不同,于是必须透过「转换机构」来切换轴心点。以轮移动模式时,轮圈与地面相接触的点则落在轴心点的正下方固定距离处;但在足部移动模式中,由于足部运动一般为週期性的向前摆动,轴心点与地面相接触点并未依循特定的规则,所以在足部的週期运动中,足部对地面的相对位置会呈现频繁但不固定的变化。

基于上述的原因,林老师与学生们设计了一个新式的转换机构,此机构可以直接控制轮圈的外形以及轮心与关节的相对位置。由于轮圈本身是二维平面物体,为使轮模式能直接延伸转换成足模式,最直接的方式就是在原本的旋转自由度之外,再增加一个自由度,这个自由度可调整关节连接点和轮心在垂直方向上的相对位置,并在机体倾斜时可发挥校正的功能。由于这两个自由度互相垂直,并不会产生干扰的问题。如此一来就能藉由切换的方式来产生「轮」和「足」两种移动模式。

仿生六足机器人和足复合机器人皆是以特殊足部结构为特色的机器人
複合機器人輪的狀態。

这两台机器人在设计架构上非常相似,皆採用弯曲的足部以及扁平的机体,机身内部皆设置惯性量测系统,内含加速规及陀螺仪,行进时六足机器人,六个足部以三足为一组,分成两组交替行走,在机构的控制上非常简单,每一隻足由一颗马达提供一个由后向前翻转的自由度,利用最少的马达数量来控制机器人。而在轮足机器人方面,则採用一隻足两颗马达,用意在于提高足部自由度。另外由于四足平衡不易,在崎区地时可採用三足不动一足动的方式前进,以保持机身平衡,除轮移动模式外,轮足机器人其馀行走时皆採由后往前翻转的自由度。

【使用的软体以及硬体】

仿生机器人实验室的六足机器人所运用的硬体系统为Single board RIO,而轮足机器人则採用CombactRIO,两者皆架构简单、稳定、可长时间使用且可模组化,非常适合学术界进行各式原型机开发测试,因为大小、重量、效能以及学习时间均是重要的因素。

而机器人要能够动作,只有硬体结构是不行的。在研发这两台仿生机器人时,除了运用CompactRIO及Single board RIO系统,在软体上便使用图形化介面的LabVIEW。

至于为什么选择使用LabVIEW而非C语言为撰写程式语言的软体,林老师表示:「在国外我们大多使用的C语言来写程式,运用工业电脑的架构来将一块块不同功能的电路板互相堆迭,造出一台机器人,由于国外的机器人通常是整合电机、资工、机械三方共同研发,程式部分可交由熟悉C语言的资工系学生来写。使用C语言有利也有弊,缺点就是程式量过大,可能一个机器人程式码会多达几百万行;但不可否认的,使用C语言可使CPU使用量较低,让机器人做出更多的行为动作。」

LabVIEW和CompactRIO与Single board RIO皆有良好的整合性,让使用者在系统整合上能节省下大量时间与精力。在林沛群老师的仿生机器人实验室裡,所有学生几乎都是机械工程背景,对他们而言,採用可快速建立原型、稳定、容易上手、具良好整合性的机电系统,为机器人开发的关键因素。

林老师也说道:「经过审慎的评估后,LabVIEW和CompactRIO与Single boardRIO恰好符合我们的需求。由于研究所学生两年就换一批,而LabVIEW 图形化的程式介面,可使学生快速的学会如何撰写程式,也较容易理解先前开发者所撰写的程式,方便学生们进行交接。」但说到底,机器人是具备高複杂度的系统,要成功开发一台可适切运作的机器人,仍需要整合机械、电子、和资讯等不同领域,并投入大量的时间和精力,才能顺利完成。

 

仿生六足机器人和足复合机器人皆是以特殊足部结构为特色的机器人
六足整體系統架構圖。

 

【未来目标】

这两台机器人在目前已经在重新组装做更新,林老师透露,他希望六足的仿生机器人在未来可以跳跃并飞越两个身长以上的距离。要做出这样的行为,必须使机器人能够瞬间出力,目前元件已经是使用在市面上可取得最合适的零件,但仍然无法做出期望达到的动作,因此还需要再想其他的方法来完成目标。

跳跃的步态比较特别,不像之前行走及翻越障碍物是从研究蟑螂所得来的,跳跃这部分林老师改为探讨马在跨栏时的步态,必须先将六隻足部经由数学软体计算过后,再由电脑各自分开控制,与先前行走步态时分成两组来控制有所不同。

而在轮足複合机器人部分,一个地形中可能同时含有崎区地与平地,于是当机器人遇到崎区地形时,就会切换为足移动模式,但遇到平地又想切换成省能的轮移动模式时,都必须停下来在原地进行长时间的切换,但如此一来耗费的时间自然就增加,而且原本流畅的移动就须强迫暂停。所以林老师希望「深入研究如何在移动的过程中进行轮足的变换」。期望未来可以像变型金刚一样,一边移动一边变换形态,充分展现出大家对于未来机器人的期望及独创性。

截至目前为止,林老师的实验室主要研究机器人的运动方式,未来可能朝向探测机器人或机器人载具来研究。现在需要机器人去探测的是还未开发(或仍在开发中)的地方,因此需要让机器人学会更多的步态去适应。「目前台湾的生物学者大部分都是研究生物的繁衍,较少研究步态」,林老师希望未来能跟动物学者一起整合进来参与这样开发研究。

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