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麻省理工学院研发的迷你猎豹机器人

本月早些时候,麻省理工学院(mit)发布了其迷你猎豹(mini cheetah)的新视频,这是来自麻省理工学院仿生机器人实验室的小型四足机器人。该实验室负责人、机械工程教授桑巴⋅金(sangbae kim)日前接受采访,谈了许多关于迷你猎豹设计以及机器人未来发展需要面对的问题。

麻省理工学院此前指出,迷你猎豹机器人重约9公斤,配有12个模块化电动马达,每条腿都有动力髋关节(2自由度)和膝关节。马达是现成的廉价部件,而不是专门定制的昂贵设计模块,它最大的关节速度为40弧度每秒,这在技术上看已经非常快,视频中迷你猎豹机器人展示的后空翻,在第一次尝试时就成功了,接下来,迷你猎豹将被教导在被抛入空中后,执行非常像猫的动作,即双脚着陆。桑巴谈了更多细节:

问:你们为何要推出更小版本的猎豹机器人?

桑巴:

这主要是为了加速机器人研究。如果你和任何使用机器人的人交谈,他们会告诉这个过程会有多痛苦:这些机器人脆弱、危险,扭矩不足,很难建模,有大堆的问题。如果你有个像猎豹3这样的机器人,你每天运行它的实际时间是多少?这可能是1%或更少,因为它很难运行,而且相当危险。假如有什么东西坏了,可能要耽误很长时间。

但有了迷你猎豹机器人,你就可以每天运行5个小时,我们已经做了3个小时的演示,没有任何问题。基本上,我们已经达到了一定水平,它是如此可靠,以至于我们可以放心把它交给其他在硬件上屡受阻碍的团体使用。

迷你猎豹差不多有着完美体型,9公斤不是太小,但也不是太大,它依然危险而脆弱,这个机器人我们用了12个月,期间没有更换任何机械部件,这主要得益于我们的执行器技术。我们设计的机器能够承受撞击,执行跳跃和着陆等动作,已经帮助其达到了每秒2.5米的速度,这对于它的体型来说已经很快了,但理论上它可以达到每秒4米,这相当于猎豹3的最高速度。

问:液压马达仍在大多数高性能的动态机器人中使用,为什么电动执行器更适合像猎豹和迷你猎豹这样的机器人?

桑巴:

我和马克⋅雷伯特(marc raibert)讨论过这个问题,他和我的观点略有不同。他认为有些关于缩放的问题,但我不同意,电动马达的缩放技术已经十分成熟,我真的对迷你猎豹的表现感到惊讶,因为其电动马达规模缩小得很厉害,其秘密在于设计中的细节:如果你看一看迷你猎豹的肩部(致动器),它们相对于猎豹3更大。这不是很明显,但迷你猎豹的肩膀相对于它的身体长度比例更大,这使得它更强大。

电动马达可以很容易地放大,以至于制造马匹大小的机器人,你就能使它跑得像马一样快,在功率密度方面没有什么问题,我认为当涉及到人形机器人时,这个问题就变得有趣了,因为人形机器人需要更高的自由度,所以在12度的自由度时,这不是问题,我认为电动马达是最好的选择。但是如果你需要24度的自由度,并且需要在腕部、踝部和颈部拥有更高自由度,电动马达往往就会受到影响。

这就是液压开始变得有吸引力的地方,因为你有更大的电源,但执行器相对较小,而且比具有等效扭矩的电动马达小得多。当然,液压动力还需要其他补充,所以在某种程度的自由度上,我认为电动执行器在各个方面都会更好地实现简单易用的设计,但是一旦自由度过大,液压动力就有了巨大的优势。

问:既然有了迷你猎豹,你还会继续和猎豹 3 合作吗?

桑巴:

到目前为止,我们已经进行了95%的仿真,然后当我们对控制器有信心时,我们会在机器人身上进行测试。现在我们要移动到50%在模拟中,40%在迷你猎豹中,10%在猎豹3中。即使你的算法在模拟中并非超级强大,迷你猎豹在测试它时也没有问题,安装过程大概需要2分钟,如果出了问题,它也不会坏。

对研究机器人来说,“不坏”是件大事,因为这意味着你可以在它们身上试验,或者相信你的学生可以在他们身上试验,而不需要先设置四份电子报警器,穿上防弹衣,拿出支票簿,站在火警报警器旁边。正如桑巴所指出的,坚固的机器人意味着你可以在模拟中少做许多工作,这更有趣(而且可能更有效率)。

我们的计划是建造10个迷你猎豹机器人,其中5到6个将在麻省理工学院的不同实验室投入使用,以同时解决不同的问题,希望它能加速开发,这可能加快开发速度5到6倍。其他四五个机器人可以离开麻省理工学院,进入经验丰富的有腿机器人团队。桑巴说,我们最终希望“举行机器狗障碍赛跑,每个团队用不同的算法控制迷你猎豹,我们可以看到哪种策略更有效。”

比赛最初很可能是由人类控制的,但最终迷你猎豹将实现完全自主运作。一旦它实现这个目标,我们便期望在不久的将来能有更廉价的消费者版本上市。

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