單足機器人掌握“花式”跳躍技巧：能跳到指定位置，還能平穩落地

摘要：研究人員使機器人在起跳角度爲0.166rad的情況下進行10次跳躍，並記錄其起跳軌跡。接下來，研究人員規定機器人的跳躍軌跡，不設置起跳角度。

智東西6月2日消息，2016年，加州大學伯克利分校的一支研究團隊研發出一款跳躍機器人Salto。過去4年中，該團隊一直致力於提升Salto機器人的性能。

通過之前的研究，Salto實現了連續跳躍、從障礙物表面反彈跳躍、在戶外跳躍的能力。但是，Salto跳躍到指定位置的準確性和着陸時的平衡性還有所欠缺，這導致其難以跨越障礙物。

研究團隊的最新研究嘗試解決這一問題。在近日舉辦的ICRA 2020會議上，加州大學伯克利分校的研究團隊介紹了最新款機器人模型Salto-1P。Salto-1P可以用單足精準地跳躍到一個狹窄的支架上，着陸時能保持較好的平衡性。數據顯示，相比於之前的Salto機器人，Salto-1P跳躍水平距離的標準差從9.2cm下降到1.6cm。在另一項測試中，研究人員進行了60次實驗，Salto-1P只有3次偏離了目標位置。

ICRA 2020是機器人技術領域最具影響力的國際會議之一，由IEEE機器人與自動化協會舉辦。本項研究發表在學術網站IEEE Xplore上，論文標題爲《用姿態–相平衡實現精確的機器人跳躍和着陸（Precision Robotic Leaping and Landing Using Stance-phase Balance ）》。

一、用基於角動量的控制器設置機器人落地角度

論文分析了現有的從靜態開始跳躍的機器人、跑步機器人、多自由度機器人。通過這項工作，研究人員發現了這些解決方案存在的問題。

初始狀態爲靜態的機器人在跳躍之前，一般會進行穩定的助跑，以瞄準目標位置。這種方式可以提升機器人跳躍到指定位置的準確性，但是無法控制機器人的着陸姿勢。因此，每完成一次跳躍，機器人可能需要研究人員進行一次扶正動作。

跑步機器人一般採用彈簧加載反擺模型（SLIP，Spring Loaded Inverted Pendulum），能夠將跳躍動作融合到步態中，但是無法設置着陸、停止跑動時的姿勢。

具有多自由度的四足或六足機器人能夠完成跨越障礙和翻轉等動作，但是，這類機器人一般只能在較平坦、廣闊的位置着陸，而不能在狹窄的區域着陸。

本項研究中，研究人員嘗試用基於角動量的傾斜控制器來提升跳躍機器人跳躍到指定位置的準確性和着陸時的平衡性。

研究人員發現，當機器人以一定的角度着陸時，他們的落地動作會產生大量的角動量。這種情況下，機器人的着陸角度必須十分精確，否則就無法保持平衡。比如，如果要從1米高的地方平穩落地，機器人的着陸角度需要控制在2.3度左右。基於角動量的傾斜控制器可以精準控制機器人的着陸角度，幫助機器人平穩着陸到指定位置。

二、Salto-1P：體長0.313米的點足機器人

研究人員將基於角動量的傾斜控制器用於單足機器人Salto-1P。Salto-1P的主要組成部分有推進器（Thrusters）、座駕（chassis）、反衝式葉輪（reaction wheel）、腿部電動機（leg motor）、足部等。

Salto-1P採用點足（point foot），同時腿部設置有兩個“腳趾”。研究人員稱，當Salto-1P蹲下時，其腿部的兩個“腳趾”能夠接觸到地面，這可以增大機器人着陸時的力矩、使機器人着陸更加平穩。

▲Salto-1P示意圖

Salto-1P體長約爲0.313米，質量爲0.111千克。

▲Salto-1P參數表

研究人員用機載編碼器和陀螺儀來測量重心位移、起跳速度等運動參數。測量水平速度的誤差標準差爲0.1m/s。

爲了更加可靠地評估學習控制、腿部控制和着陸策略的可靠性，研究人員增加了一個運動捕捉系統，用其測量機器人跳躍運動的水平距離等參數。

三、共進行70次實驗，機器人基本上能在目標位置着陸

機器人部署好後，研究人員進行實驗，評估了機器人在不同條件下跳躍到指定位置的準確性。實驗中，研究人員用無線電以100Hz的頻率向機器人發送指令。

首先，研究人員規定機器人的起跳角度和腿部運動速度。研究人員將機器人起跳角度限制在0.218rad±75%，設置3種腿部運動速度，分別爲1.88m/s、2.88m/s、3.88m/s。

在不同的起跳角度和腿部運動速度組合下，研究人員共進行了60次實驗，在這些實驗中，機器人的起跳角度誤差的標準差爲0.023rad、水平速度平均誤差爲0.041m/s、垂直速度平均誤差爲-0.048m/s。60次實驗中，機器人有57次成功在目標位置着陸。

▲紅色點表示機器人未能在目標位置着陸

接下來，研究人員規定機器人的跳躍軌跡，不設置起跳角度。根據論文，設置機器人的跳躍最高點比起跳點高0.571m（正好是兩倍機器人體長），水平位移爲32.6cm。機器人跳躍時的加速度被規定爲30rad/s2、跳躍時間爲0.07s、水平速度爲3.38m/s。在未經調整的情況下，機器人的起跳角度爲0.166rad（調整後起跳角度爲0.147rad）。

研究人員使機器人在起跳角度爲0.166rad的情況下進行10次跳躍，並記錄其起跳軌跡。下圖中，藍色線條代表參考軌跡，灰色線條爲機器人起跳軌跡，紅色線條表示起跳角度調整爲0.147rad後機器人的起跳軌跡。