狹窄，多彎道的空間難以探測。

一只來自北理工的機(jī)器小鼠 SQuRo 對此給出否定答案。

它不僅能在狹小空間內(nèi)靈活穿行，輕松完成各種運(yùn)動并進(jìn)行變換，如蹲下起立，行走，爬行等，簡直是應(yīng)對突發(fā)災(zāi)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(nèi)快速轉(zhuǎn)身，咬住自己的尾巴 360° 轉(zhuǎn)圈:

甚至還很堅強(qiáng)，可以在跌倒后迅速站起來。

最關(guān)鍵的是，這只小鼠還很能載重 —— 目前它已經(jīng)能成功地帶著一個占自重 91%的重物，通過有 20° 傾角的場地。

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。

這項來自北理工的研究成果，目前已經(jīng)發(fā)表在 IEEE 旗下期刊上。

見識到這只機(jī)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(jī)器人設(shè)計能規(guī)劃運(yùn)動的多模態(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)時選用最合適的控制算法，并選擇恰當(dāng)時機(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)動中的骨骼結(jié)構(gòu)以提取關(guān)鍵運(yùn)動關(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，它的體長也和真老鼠差不多。

北理工團(tuán)隊還賦予了這只機(jī)器小鼠多模態(tài)運(yùn)動規(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)動的 3 大能力設(shè)計基本結(jié)構(gòu)

研究團(tuán)隊據(jù) X 光片分析發(fā)現(xiàn)，老鼠主要靠這三個主要功能，來組合做出各種運(yùn)動:

• 肢體運(yùn)動

• 脊柱屈伸和側(cè)向彎曲

• 頸椎運(yùn)動

于是，研究人員為機(jī)器老鼠配置了 12 個活動自由度，以及 4 個被動自由度，以模仿關(guān)節(jié)的屈伸和轉(zhuǎn)動。

自由度是獨(dú)立變量的個數(shù)具體而言，若總變量個數(shù)為 N，約束條件個數(shù)為 M，則自由度 F=N—M

機(jī)器小鼠的四肢結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如下:

圖 a，b 分別為左前肢的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖和骨架模型結(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，有三個峰值，對應(yīng)三個最明顯的運(yùn)動，即:頸椎屈伸，

前肢第二胸椎的屈伸運(yùn)動，和第十三胸椎的后肢屈伸運(yùn)動。

因此，研究者為脊柱配備了三個關(guān)于屈伸的主動自由度，用于機(jī)器小鼠的正面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。

由于頸部旋轉(zhuǎn)在老鼠的日常活動中很少見，所以真老鼠的頸部活動對設(shè)計探測機(jī)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(nèi)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(jī)器小鼠共有 33 個脊椎關(guān)節(jié)，研究者將后肢屈伸的關(guān)節(jié)設(shè)置于第 22 個關(guān)節(jié)處，這與老鼠的對應(yīng)的關(guān)節(jié)位置相似。

研究團(tuán)隊介紹

這項研究來自北京理工大學(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，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)隊共同完成。

團(tuán)隊研究的仿生鼠，曾被昆士蘭大學(xué)計算機(jī)教授 Janet Wiles 評價稱達(dá)到業(yè)界 SOTA 水平。

團(tuán)隊表示，未來還將通過閉環(huán)控制和深入動態(tài)分析等方法，來進(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。

你覺得這只機(jī)器小鼠還能被用在哪些地方呢。

論文地址