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不受限制的电动机器人猎豹跑遍草地

2018-05-16
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麻省理工学院的研究人员已经开发出一种新算法,可以让他们的电动机器人猎豹在草地上奔跑,不受束缚。 /

查看MIT猎豹机器人的行动,并了解它是如何工作的。视频:Melanie Gonick / MIT /

速度和灵活性是猎豹的标志:大型捕食者是地球上速度最快的陆地动物,能够在几秒钟内加速到60英里/小时。当它爬升到最高速度时,一头猎豹将双腿串联起来,直到达到全速奔跑。

现在,麻省理工学院的研究人员已经开发出一种算法,用于限定他们已经成功实施机器人猎豹 - 一种圆滑的四足式齿轮,电池和电动机组合,其重量几乎与其猫科动物相当。最近,该队利用机器人在麻省理工学院的Killian Court进行了一次测试,并在稳定的夹子上划过草地。

在室内赛道实验中,机器人以10英里/小时的速度冲刺,甚至在清除障碍后继续跑步。麻省理工学院的研究人员估计,目前的机器人版本最终可能达到30英里每小时的速度。

边界算法的关键在于对机器人的每条腿进行编程,以在分裂的第二秒期间施加一定量的力,以便保持给定的速度:通常,期望的速度越快,必须施加更大的力量来推动机器人前进。麻省理工学院机械工程副教授Sangbae Kim假设,这种机器人跑步的力量控制方法原则上与世界级短跑运动员的比赛类似。

“许多短跑运动员,比如Usain Bolt,不会很快圈上双腿,”Kim说。 “他们实际上是通过向下推动增加地面力量来增加他们的步幅,这样他们可以在保持相同频率的同时飞得更多。”

Kim说,通过采用基于力量的方法,猎豹机器人能够处理更粗糙的地形,例如跨越草地。在跑步机实验中,研究小组发现机器人在其路径上处理了轻微的颠簸,即使在跑过泡沫障碍物时也保持其速度。

“大多数机器人都很笨重,因此他们无法在高速情况下控制力量,”Kim说。 “这就是麻省理工学院猎豹如此特别的原因:你可以在很短的时间内控制力量轮廓,然后对地面产生巨大的影响,这使得它更加稳定,敏捷和动态。”

Kim说,机器人如此动态的原因是由MIT麻省理工学院电气工程Vitesse教授Jeffrey Lang设计的定制设计的高转矩密度电动机。这些电机由MIT电子研究实验室的首席研究工程师David Otten设计的放大器控制。这种特殊电动马达和定制设计的生物启发腿的组合允许在地面上进行力控制,而不依靠脚上的精密力传感器。

Kim和他的同事 - 研究科学家Hae-Won Park和研究生Meng Yee Chuah--将在本月在芝加哥IEEE / RSJ智能机器人和系统国际会议上介绍边界算法的细节。

走向最终的步态

跑步的行为可以被分解成许多生物力学上不同的步态,从小跑和慢跑到更动态的边界和舞动。在包围的过程中,动物的前腿一起撞击地面,后面跟着后腿,类似于兔子跳跃的方式 - 研究人员首先选择模型的相对简单的步态。

“边界就像入门级的高速步态,而舞动是最终的步态,”金说。 “一旦你身临其境,你可以轻松地将两条腿分开,并得到舞动。”

作为一种动物,它的腿在接触空气之前只需几分之一秒就可以再次通过空气。一条腿在地面上而不是在空中花费的时间百分比在生物力学中被称为“占空比”;动物跑得越快,其占空比就越短。

Kim和他的同事开发了一种算法,该算法确定腿在每个周期短时间内在地面上花费的力量。他们推断,这种力量足以使机器人抵抗重力的向下作用力,以保持前进动力。

“一旦我知道我的腿在地面上多久,我的身体在空中停留多久,我知道我需要用多大的力量来补偿引力,”金说。 “现在我们能够以很多速度控制边界。而跳跃,我们可以说,三倍的力量,它跳过障碍。“

在实验中,团队以逐渐变小的占空比运行机器人,发现,按照该算法的力量处方,机器人能够以更高的速度运行而不会掉落。 Kim说,该团队的算法能够精确控制机器人在运行时可以施加的力量。

相比之下,他说,类似的四足机器人可能会发挥很大的作用力,但效率很低。更重要的是,这种机器人使用汽油运行,并由汽油发动机驱动,以产生较大的力量。

“因此,他们更大声,”金说。 “我们的机器人可以保持沉默,并且和动物一样高效。你听到的唯一的东西就是脚踩在地上。这是一种新的范式,我们在高度动态的情况下控制着力量。任何腿式机器人都应该能够在未来做到这一点。“

这项工作得到了国防部高级研究计划局的支持。

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

图片:Jose-Luis Olivares /麻省理工学院

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