狹窄、多彎道的空間難以探測(cè)？
一只來(lái)自北理工的機(jī)器小鼠 SQuRo 對(duì)此給出否定答案。
它不僅能在狹小空間內(nèi)靈活穿行，輕松完成各種運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行變換，如蹲下起立、行走、爬行等，簡(jiǎn)直是應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)情或狹窄管道的“神器”：
還能在不足自己身長(zhǎng)一半的小半徑內(nèi)快速轉(zhuǎn)身，咬住自己的尾巴 360° 轉(zhuǎn)圈（半徑比其他機(jī)器人小得多）：
甚至還很堅(jiān)強(qiáng)，可以在跌倒后迅速站起來(lái)。
最關(guān)鍵的是，這只小鼠還很能載重 —— 目前它已經(jīng)能成功地帶著一個(gè)占自重 91%（200 克）的重物，通過(guò)有 20° 傾角的場(chǎng)地。
（想象一下你背著和自己差不多重的一個(gè)包爬坡上坎的感覺(jué)……）
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(jī)器人，但大多不擅長(zhǎng)應(yīng)對(duì)狹窄空間：
大型四足機(jī)器人運(yùn)輸能力強(qiáng)，但不能進(jìn)入狹窄的空間；微型四足機(jī)器人雖然可以進(jìn)入狹窄空間，但其攜帶重物的能力有限。
這項(xiàng)來(lái)自北理工的研究成果，目前已經(jīng)發(fā)表在 IEEE 旗下期刊上。
見(jiàn)識(shí)到這只機(jī)器小鼠出色的敏捷性和載荷能力后，再來(lái)深入了解一下吧！
靈感來(lái)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(jī)器人設(shè)計(jì)能規(guī)劃運(yùn)動(dòng)的多模態(tài)控制框架。
多模態(tài)控制是指隨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)而不斷變化策略的控制方式，可以實(shí)時(shí)選用最合適的控制算法，并選擇恰當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)行切換，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速。
由于規(guī)模限制，小型機(jī)器人的硬件組件很少，這導(dǎo)致了其低感知和處理能力較弱。
另外，現(xiàn)有的機(jī)器人研究主要集中于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和機(jī)械約束，而忽略了與某種機(jī)器人相似生物的運(yùn)動(dòng)特征。
研究人員發(fā)現(xiàn)，老鼠在各種狹窄復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)十分敏捷，于是他們準(zhǔn)備從生物角度出發(fā)，在老鼠身上“取取經(jīng)”。
首先，用 X 光片記錄下老鼠運(yùn)動(dòng)中的骨骼結(jié)構(gòu)以提取關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，然后建立了四足機(jī)器小鼠的基本模型。
機(jī)器小鼠 SQuRo 的質(zhì)量為 220 克，和八周大的黑毛鼠體重的相似；它的體長(zhǎng)也和真老鼠差不多。
北理工團(tuán)隊(duì)還賦予了這只機(jī)器小鼠多模態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制框架，使其能夠感知和處理復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境。
根據(jù)老鼠運(yùn)動(dòng)的 3 大能力設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)
研究團(tuán)隊(duì)據(jù) X 光片分析發(fā)現(xiàn)，老鼠主要靠這三個(gè)主要功能，來(lái)組合做出各種運(yùn)動(dòng)：
肢體運(yùn)動(dòng)
脊柱屈伸和側(cè)向彎曲
頸椎運(yùn)動(dòng)
于是，研究人員為機(jī)器老鼠配置了 12 個(gè)活動(dòng)自由度（四肢各有 2 個(gè)自由度，腰部 2 個(gè)屈伸自由度，頸部 2 個(gè)自由度），以及 4 個(gè)被動(dòng)自由度，以模仿關(guān)節(jié)的屈伸和轉(zhuǎn)動(dòng)。
自由度是獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)。具體而言，若總變量個(gè)數(shù)為 N，約束條件個(gè)數(shù)為 M，則自由度 F=N-M。
機(jī)器小鼠的四肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如下：
▲ 圖 a、b 分別為左前肢的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖和骨架模型結(jié)構(gòu)；c 為左后肢的骨架模型側(cè)視圖
相比前肢，后肢的底部為一個(gè)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(chǎn)生推力的現(xiàn)象一致。
研究者分析老鼠行為發(fā)現(xiàn)，它的轉(zhuǎn)身運(yùn)動(dòng)是從頭部到軀干，再到臀部，逐步發(fā)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(jié)構(gòu)成，其中第一節(jié)頸椎的旋轉(zhuǎn)角反映了頭部和軀干之間的角度。
下面的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度圖中，有三個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)三個(gè)最明顯的運(yùn)動(dòng)，即：頸椎屈伸、
前肢第二胸椎的屈伸運(yùn)動(dòng)，和第十三胸椎的后肢屈伸運(yùn)動(dòng)。
因此，研究者為脊柱配備了三個(gè)關(guān)于屈伸的主動(dòng)自由度，用于機(jī)器小鼠的正面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。
由于頸部旋轉(zhuǎn)在老鼠的日常活動(dòng)中很少見(jiàn)，所以真老鼠的頸部活動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)探測(cè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，意義不大。
研究者配置了一個(gè)用于頸部屈伸的主動(dòng)自由度，和一個(gè)用于頸部?jī)?nèi)收的主動(dòng)自由度，這兩個(gè)自由度都位于頭部和軀干的連接處。
機(jī)器小鼠共有 33 個(gè)脊椎關(guān)節(jié)，研究者將后肢屈伸的關(guān)節(jié)設(shè)置于第 22 個(gè)關(guān)節(jié)處，這與老鼠的對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)位置相似。
研究團(tuán)隊(duì)介紹
這項(xiàng)研究來(lái)自北京理工大學(xué)。
論文一作石青，現(xiàn)任北京理工大學(xué)教授、機(jī)電工程學(xué)院智能機(jī)器人研究所副所長(zhǎng)，本科和博士均畢業(yè)于北理工，并于早稻田大學(xué)進(jìn)行博士后工作，主要研究方向是仿生機(jī)器人、生機(jī)電融合。
這篇論文由石青導(dǎo)師黃強(qiáng)、中科院外籍院士福田敏男，以及石青帶領(lǐng)的仿生機(jī)器人團(tuán)隊(duì)共同完成。
團(tuán)隊(duì)研究的仿生鼠，曾被昆士蘭大學(xué)計(jì)算機(jī)教授 Janet Wiles 評(píng)價(jià)稱“達(dá)到業(yè)界 SOTA 水平”。
團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)還將通過(guò)閉環(huán)控制和深入動(dòng)態(tài)分析等方法，來(lái)進(jìn)一步提高機(jī)器小鼠的敏捷性，并且有興趣將其商業(yè)化。
你覺(jué)得這只機(jī)器小鼠還能被用在哪些地方呢？
論文地址
https://ieeexplore.ieee.org/document/9751239
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