仿生電子鼠載重爬窄管不在話下，跌倒還能自己站起來丨北理工出品
機器小鼠大顯身手，不懼狹窄多彎道空間
Alex 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
狹窄、多彎道的空間難以探測？
一只來自北理工的機器小鼠SQuRo對此給出否定答案。
它不僅能在狹小空間內靈活穿行，輕松完成各種運動并進行變換，如蹲下起立、行走、爬行等，簡直是應對突發災情或狹窄管道的“神器”：
還能在不足自己身長一半的小半徑內快速轉身，咬住自己的尾巴360°轉圈（半徑比其他機器人小得多）：
甚至還很堅強，可以在跌倒后迅速站起來。
最關鍵的是，這只小鼠還很能載重——目前它已經能成功地帶著一個占自重91%（200克）的重物，通過有20°傾角的場地。
（想象一下你背著和自己差不多重的一個包爬坡上坎的感覺……）
研究成果論文的第一作者，北理工石青教授表示，目前市面上有不少足式機器人，但大多不擅長應對狹窄空間：
大型四足機器人運輸能力強，但不能進入狹窄的空間；微型四足機器人雖然可以進入狹窄空間，但其攜帶重物的能力有限。
這項來自北理工的研究成果，目前已經發表在IEEE旗下期刊上。
見識到這只機器小鼠出色的敏捷性和載荷能力后，再來深入了解一下吧！
靈感來自不懼狹窄彎道的老鼠
此前，鮮有人給體重小于1公斤的小型四足機器人設計能規劃運動的多模態控制框架。
多模態控制是指隨系統運行狀態而不斷變化策略的控制方式，可以實時選用最合適的控制算法，并選擇恰當時機進行切換，使系統更加穩定、準確、反應迅速。
由于規模限制，小型機器人的硬件組件很少，這導致了其低感知和處理能力較弱。
另外，現有的機器人研究主要集中于動態穩定性和機械約束，而忽略了與某種機器人相似生物的運動特征。
研究人員發現，老鼠在各種狹窄復雜的環境中運動十分敏捷，于是他們準備從生物角度出發，在老鼠身上“取取經”。
首先，用X光片記錄下老鼠運動中的骨骼結構以提取關鍵運動關節，然后建立了四足機器小鼠的基本模型。
機器小鼠SQuRo的質量為220克，和八周大的黑毛鼠體重的相似；它的體長也和真老鼠差不多。
北理工團隊還賦予了這只機器小鼠多模態運動規劃和控制框架，使其能夠感知和處理復雜的現實環境。
根據老鼠運動的3大能力設計基本結構
研究團隊據X光片分析發現，老鼠主要靠這三個主要功能，來組合做出各種運動：
- 肢體運動
- 脊柱屈伸和側向彎曲
- 頸椎運動
于是，研究人員為機器老鼠配置了12個活動自由度（四肢各有2個自由度，腰部2個屈伸自由度，頸部2個自由度），以及4個被動自由度，以模仿關節的屈伸和轉動。
自由度是獨立變量的個數。具體而言，若總變量個數為N，約束條件個數為M，則自由度F=N-M。
機器小鼠的四肢結構設計示意圖如下：
圖a、b分別為左前肢的機構運動簡圖和骨架模型結構；c為左后肢的骨架模型側視圖。
相比前肢，后肢的底部為一個更彎曲的桿，以提供更大的前推力——這與老鼠主要依靠后肢產生推力的現象一致。
研究者分析老鼠行為發現，它的轉身運動是從頭部到軀干，再到臀部，逐步發力的。
受益于靈活的脊柱，老鼠可以迅速變換方向。
小鼠的頸椎由好幾節構成，其中第一節頸椎的旋轉角反映了頭部和軀干之間的角度。
下面的關節旋轉角度圖中，有三個峰值，對應三個最明顯的運動，即：頸椎屈伸、
前肢第二胸椎的屈伸運動，和第十三胸椎的后肢屈伸運動。
因此，研究者為脊柱配備了三個關于屈伸的主動自由度，用于機器小鼠的正面轉彎運動。
由于頸部旋轉在老鼠的日常活動中很少見，所以真老鼠的頸部活動對設計探測機器人來說，意義不大。
研究者配置了一個用于頸部屈伸的主動自由度，和一個用于頸部內收的主動自由度，這兩個自由度都位于頭部和軀干的連接處。
機器小鼠共有33個脊椎關節，研究者將后肢屈伸的關節設置于第22個關節處，這與老鼠的對應的關節位置相似。
研究團隊介紹
這項研究來自北京理工大學。
論文一作石青，現任北京理工大學教授、機電工程學院智能機器人研究所副所長，本科畢業于北理工，博士畢業于早稻田大學，并曾在早稻田大學進行博士后工作。主要研究方向是仿生機器人、生機電融合。
這篇論文由石青導師黃強、中科院外籍院士福田敏男，以及石青帶領的仿生機器人團隊共同完成。
團隊研究的仿生鼠，曾被昆士蘭大學計算機教授Janet Wiles評價稱“達到業界SOTA水平”。
團隊表示，未來還將通過閉環控制和深入動態分析等方法，來進一步提高機器小鼠的敏捷性，并且有興趣將其商業化。
你覺得這只機器小鼠還能被用在哪些地方呢？
論文地址
https://ieeexplore.ieee.org/document/9751239
參考鏈接：
[1]https://spectrum.ieee.org/robotic-rat-climbs-crawls-turns
[2]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_15922015
- 谷歌研究回顧2022年健康領域進展：達成多個合作，邁向移動醫療2023-03-03
- 美團創始高管離職創業/ 國內首個類ChatGPT下月開源/ 推特員工睡公司仍被裁 …今日更多新鮮事在此2023-02-27
- 人類離「定居月球」又近一步：貝索斯公司用月壤實現太陽能發電2023-02-24
- 每周只上四天班：半年試驗后，老板竟然也喜聞樂見2023-02-23
相關閱讀
