作者:彬彬 来源:新浪科技 发布时间:2011-2-11 11:32:58
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美科学家模拟步行机器人 可像动物一样进化
 
北京时间2月11日消息,近年来科学家们制造出各种类型和功能的机器人,在实践中机器人也广泛应用于火星科学探测、工业生产以及家庭生活等领域。但是,现有的大多数步行机器人看起来更像是一种双腿僵硬的金属怪物,距离人们的理想还有很大差距。美国佛蒙特大学科学家约什·邦加尔德近日对现有的多款著名步行机器人进行了分析和研究,并开发出一种计算机模拟系统,系统显示机器人也可以像动物进化一样逐渐学会更好地步行。
 
1. 虚拟机器人原型

虚拟机器人原型

虚拟机器人原型
 
通过模拟系统,邦加尔德创作出一种虚拟机器人,这种虚拟机器人可以随着时间的变化改变自己的形状。最初,这种机器人身体像蛇一样,没有腿,靠腹部运动。邦加尔德的模拟系统根据机器人脊骨的每一个片断采用了各种不同的运动算法。如果某种算法能够成功地让机器人更接近目标,就会被应用于下一个片断。如果不成功,则被舍弃。在每个片断中,成功的算法还将会随着片断的轻微修正进行验证。当各种不同算法分别成功地适应各脊骨片断的运动时,机器人就已进化出有效的运动模式。
 
腹部运动功能进化成功后,邦加尔德开始为机器人增加腿部。随着腿部的缓慢“生长”,模拟系统中的虚拟机器人的腿部运动开始从滑行到步行进化。邦加尔德介绍说,“缓慢生长的腿部使得算法(控制器)以机器人的语言去处理一个问题,即首先能够摆动,然后再实现平衡。这种步行控制器与我们以前看到的有所不同。”这样它就逐渐学会了如何更快地行走,并最终掌握了更加自然的步法
 
当然,在现实世界中很难让机器人改变它们的身体或让其腿部生长,但邦加尔德利用乐高机器人研制出一个概念验证版机器人。这款机器人拥有一个简单的脊骨和四条腿。最初,一个额外的支柱帮助四条腿像蜥蜴一样向外伸展,然而逐渐将它们收拢,最终机器人可以用腿站立起来。邦加尔德表示,这一原型显示,真实的机器人也可以利用相似的过程进化出有效的步法。
 
2. “大狗”运输机器人

“大狗”运输机器人

“大狗”运输机器人
 
无论是两条腿还是四条腿,步行机器人肯定比那些轮式机器人或非移动机器人更像动物。因此,步行机器人更容易融入人类的生活,它们也看起来更可爱,更酷。不过,科学家们研究机器人的腿部运动机制并不仅仅是因为它们看起来可爱,而是为了让机器人更好地为人类服务。
 
邦加尔德表示,“有腿机器肯定比那些轮式机器更擅长在崎岖的山路上行走。”这就是为什么美国军方能够慷慨斥资数百万美元资助波士顿动力公司研制“大狗”运输机器人的原因。“大狗”是一种动力平衡四足机器人,载重能力达300磅(约合136公斤),可以通过泥泞、雪地、冰面、煤渣等路面。“大狗”的四条腿如此逼真,让一些人心里不安。即使在受到大力推挤的情况下,“大狗”仍然可以稳稳站立。邦加尔德的模拟机器人也显示出相似的稳定性。
 
3. “漫游者”机器人

“漫游者”机器人

“漫游者”机器人
 
征服崎岖山路并不是研制有腿步行机器人的唯一目的。事实证明,步行机器人也适合长途旅行。垂直的腿部(相对的则是像蜥蜴一样向外伸出的水平腿部)可以像钟摆一样前后摆动,有助于向前迈进。像人类一样,机器人的这种运动几乎不需要耗费能量。邦加尔德表示,“这种方式能效很高,这也是两足性进化的原因之一。我们人类不用花太大的力气就可以走很长的路程。”
 
由美国康奈尔大学研制的步行机器人“漫游者”去年以14.3英里(约合23公里)的距离打破了机器人的步行记录。“漫游者”尽管有四条腿,但从技术上讲它属于两足机器人,因为它的腿是成对工作的。康奈尔大学研究团队介绍说,“漫游者”的步法也许并不优雅,但它走2万步所花掉的电费仅为1美分。
 
4. “火焰”机器人

“火焰”机器人

“火焰”机器人
 
此前,步行机器人吸引人们的目光并非是因为实用,而是因为新奇,原因在于它们更难设计。事实上,研制一个成功的步行机器人需要一个完全不同的设计方案。自上世纪90年代起,研究人员关注的一个领域就是“被动动力学”或“无动力运动”。航空工程师泰德·麦克吉尔所研制的两足机器人非常逼真,它可以不用任何发动机,就可以走下斜坡。
 
荷兰德尔福特科技大学生物机器人实验室在这一领域更进一步,他们研制出的机器人要么是无动力的,要么是采用无动力运动的方式。就像人类行走时腿部利用自己的动力自然摆动一样,这些机器人行走得更加自然,而且将动力自然地融合到步法之中。这些步行方式中持续变化的动力学对于机器人设计者来说是一大挑战。他们必须要把生物学灵感更好地融入到机器人控制系统中。
 
德尔福特科技大学研制的“火焰”机器人的臀部、膝盖和踝骨中采用了弹性机制,这就意味着每个发动机和相关的关节之间都有一个弹簧,而不是发动机与关节直接相连。“火焰”机器人参研者之一马丁·维塞解释说,“这种方式吸收了足部踩踢地面时产生的冲击力。”

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