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美科学家模拟步行机器人 像动物一样进化(组图)

http://www.kexue.com 2011-02-11 09:23:36 新浪科技  发表评论

  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。”

  5. 六足蜘蛛机器人

六足蜘蛛机器人
六足蜘蛛机器人

  并不是每一个步行机器人都有两条腿或四条腿。对于喜欢自己研制机器人的爱好者来说,六足步行机器人似乎更容易实现,因为六足机器人更稳定。不过,由于它们的六条腿是成对运动的,因此必须要有三台服务器来控制腿部运动。

  机器人爱好者约瑟-朱利奥曾经利用一个Arduino主板、三台服务器和一个红外传感器制成了一个六足蜘蛛机器人。这种六足蜘蛛机器人可以通过手工模式、辅助模式和全自动模式进行运动。

  6.
“运动员”机器人

“运动员”机器人
“运动员”机器人

  日本东京大学研究人员新山龙马研制的“运动员”机器人是一个两足机器人,它可以完成跑步和跳起等动作,而且自己可以很好地平衡身体。与大多数机器人腿部相比,新山龙马采用了不同的方法建造“运动员”腿部。“运动员”的踝骨并不是关节式的,它采用了一种反向曲面弹簧,这种硬件似乎效果很好。“运动员”可以在平衡中跑许多步,然后才会摔倒。很明显,新山龙马还需要下力气解决好软件问题。

  7. DNA机器人'

DNA机器人
DNA机器人

  机器人并不是为了能够步行就必须要做大。2004年,美国纽约大学纳德里安-希曼曾经利用脱氧核糖核酸(DNA)研制出一种两足“机器人”。这种所谓的“DNA机器人”利用DNA链的特点可以在两个特定的立足点之间来回走动,这两个立足点也是由脱氧核糖核酸制成。希曼认为,在纳米技术产品制造中可以采用这种技术。不过,这一技术听起来似乎很吸引人,但未来的路还很长。

  8. Chumby简易步行机器人

Chumby简易步行机器人
Chumby简易步行机器人

  Chumby是一款基于Linux系统的计算机,它可以广泛应用于各种DIY项目中。EMG机器人公司为Chumby装上了两条腿后,这种计算机就变成了一个简单的步行机器人。当然,有腿的Chumby走起路来有点像《弗兰肯斯坦》中的怪物。但是,这只是一个简单的样本,并不是一个成熟的产品,它显示了这种机器人的机动性和简易性。

  9.
麦克穆兰两足机器人

麦克穆兰两足机器人
麦克穆兰两足机器人

  肯-麦克穆兰希望制造一种便宜的两足机器人。因此,他首先利用聚氯乙烯板搭建出一个框架,然后再将数个服务器、一个便宜的CPU和一个廉价的电源组组装起来。在40小时内,麦克穆兰仅用了120美元就制成了一个两足机器人。此外,麦克穆兰还开发程序,“教会”机器人完成蹲下等基本腿部动作。2008年,他公布了自己的最新版本机器人。

  10. DIY机器人

DIY机器人
DIY机器人

  制造一个两足机器人需要面对多重挑战,并不仅仅是赋予机器人一种本体感受。对于人类来说,这种感受就是身体各部位的一种方位感。而对于机器人来说,这种感受并不仅仅是接受来自服务器的一条命令并将腿部移动到一个精确的位置。机器人需要根据位置的变化做出动态的反应,进行移动和平衡,在理想的情况下还应该对外部力量做出反应。这个DIY机器人只用了大约150美元材料费,但研制者花了200多个小时让它拥有机器人行走时可能出现的感觉。

  11. 自制两足机器人

自制两足机器人
自制两足机器人

  许多人想自己动手制造一个步行机器人,但又没有时间来加工部件、开发软件和程序。不过,这些都可以购买到。像本图中这款两足机器人,零部件和工具全部购自Robokitsworld.com,总价格仅123美元。

  12. 大脚机器人

大脚机器人
大脚机器人

  这个两足机器人由日本东京大学于20世纪80年代研制。与其前辈Biper-3不同的是,这款机器人拥有膝关节。它那巨大的平板脚部可以保证其不会摔倒。

  13. “阿西莫”

“阿西莫”
“阿西莫”

  近年来最著名的两足机器人应该是由日本本田公司研制的“阿西莫”。“阿西莫”被称为世界上最先进的类人机器人。这种机器人不但能跑能跳能爬楼梯,还能够更好地与人类互动。(彬彬)

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