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电机不用升级,机器人也能跑得更快!北理工 Science 子刊揭秘四足奔跑新逻辑

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“不靠强电机,仿生脊柱让四足机器人快跑。

当我们谈论四足机器人跑得更快,第一反应往往是升级电机、增大驱动功率。在行业的惯性思路里,更强的动力输出几乎等同于更高的运动速度。但自然界早已给出另一套解题思路:猎豹、灰狗、象鼩这些高速奔跑的哺乳动物,不只是依靠四肢蹬地输出力量,脊柱会伴随步态周期反复屈伸,和四肢紧密配合共同完成身体

北京理工大学人工智能学院石青教授团队从这一生物现象切入,以小型高速哺乳动物象鼩为仿生原型,研制出搭载双关节耦合脊柱的微小型四足机器人 FLEXOR,整机重量 338 克,机身长度 110 毫米。研究团队揭示动态脊-腿协同提升机器人运动推进力与能量效率的底层机制。相关研究长文发表于 Science 子刊《Science Advances》,这项研究把动物身上的物理智能,转化成可以计算、可以落地验证的机器人结构与控制规则,为高机动具身智能机器人,提供了区别于一味堆砌算力、传感器的全新研发思路。



该研究由北京理工大学作为第一完成单位,联合南京大学邴振山副教授共同完成;博士后王若超为第一作者,石青教授、北理工长三角研究院(嘉兴)于志强副研究员担任通讯作者,得到国家自然科学基金、浙江省 “尖兵”“领雁” 科技计划等项目的支持。


用于理解动态脊-腿协同的机器人系统


01.

微小型机器人跑不快,不全是驱动力的问题

对于小型四足动物与微小型机器人而言,体型是绕不开的枷锁。有限的机身空间很难塞下大功率驱动器,很多人默认,跑不快就是动力不够。

象鼩体型小巧,却拥有惊人奔跑能力。它的核心秘密并不在四肢肌肉的绝对力量,而在于高速跑动时大幅度的脊柱屈伸运动:脊柱参与到整个推进循环当中,辅助拉长步幅、调节腾空与触地时序。这种 “小尺度、高机动” 的生物特征,恰好戳中当下微小型四足机器人的痛点。

传统柔性脊柱四足机器人大多采用单转动关节模拟生物脊柱运动,很难复刻生物多椎体之间的力学耦合效果;而绳索驱动、流体驱动的脊柱方案,缩小机身之后很难做到时序精准控制,很难真正释放脊 腿协同带来的性能潜力。

团队从象鼩高速运动影像中提取脊柱关键运动关节,把复杂的生物多段脊柱简化等效为双关节耦合脊柱机构,打造样机 FLEXOR。


FLEXOR整体设计


这套机构设计十分巧妙,驱动器只做单向旋转,依靠闭链多连杆结构,就能实现脊柱快速、周期性的屈伸,最大可以实现 120° 的矢状平面弯曲,和象鼩脊柱运动幅度接近。机构还自带力矩放大效果,可以向后腿传递更大推进力,不用升级电机,就能放大足底输出力量,也避开了电机反复换向带来的抖动与控制复杂问题。

02.

跑得快的关键:发力时机比发力大小更重要

拥有可动脊柱,并不代表机器人就能自动跑快。真正决定运动上限的,是脊柱屈伸和腿部摆动之间的配合时机。

团队用相位差,描述后腿后摆动作与脊柱伸展动作之间的时间偏移。大量仿真和实物样机实验证明,当后腿后摆稍稍滞后脊柱伸展,也就是相位差接近π/10时,机器人会进入最佳协同状态。


动态脊-腿协同的运动与力学表征


这个状态下,脊柱与后腿输出的力,会在合适时刻一同作用于地面。地面反作用力向前的分量被放大,力的方向更贴近机器人质心,机身俯仰抖动得到明显抑制。步态也随之发生变化,腾空时间变长、足部触地支撑时间缩短,减少接触地面时损耗的能量。简单来说,高速奔跑,不只看输出力量有多大,力输出的时机、方向同样至关重要

为验证这套机理,团队开发了三款后腿配置不一样的样机:被动腿 FLEXOR P、欠驱动腿 FLEXOR U、全驱动腿 FLEXOR F。实验过程中可以看到,被动腿样机基本没法稳定向前奔跑;欠驱动版本仅在少数相位下可以前进;全驱动样机适配的协同相位范围更宽,在最优时序下性能达到顶峰。一旦错开最佳配合时序,硬件完全不变的前提下,机器人的速度、稳定性和能效都会出现明显下滑。

03.

仅改变脊柱结构,速度为何能提升三成?

研究做了严格的对照实验,两组机器人重量、外形尺寸、电机最大功率全部保持一致,唯一变量就是脊柱,分别采用双关节耦合脊柱和传统单关节脊柱。


最优动态脊-腿协同模式下的运动表现


在最优脊 腿协同模式下,FLEXOR 全驱动版本平均速度达到0.784 米 / 秒,可以实现每秒 7 个体长以上的移动能力。对比单关节脊柱对照组,平均速度提升 31.6%,衡量运动能耗的运输成本 CoT 下降 32.2%,后腿的峰值地面反作用力从 2.82 牛提升至 5.19 牛。

很关键的一点,性能上涨并不是靠拉高输入功率实现。实际测试中,双关节脊柱样机整机平均功耗反而更低。性能收益,来自机身机构的力传递效果和运动时序配合,而不是单纯让电机输出更大动力。

很多人默认机器人提速就要堆功率,但这套实验给出新的答案,依靠身体各部件之间的动力学配合,在不增加能耗的条件下,同样可以拿到可观的性能提升。

04.

不是样机特例!这套运动规律可以推广复用

这套最优时序协同,只是 FLEXOR 样机独有的巧合,还是可以复用的通用原理?这是团队需要回答的核心问题。

团队搭建扩展动力学仿真框架,开展大规模仿真测试,不断改动脊柱结构、腿部构型、机身尺寸、关节摆动幅度、驱动上限等各类参数。大量测试结果显示,不管机器人形态、绝对速度如何变化,性能最优的工况,始终集中在脊柱伸展与后腿后摆接近同步这一相位区间。

也就是说,动态脊 腿协同不是特定机械结构才有的效果,是很多四足运动系统都适用的动力学规律,可以跨形态、跨尺度进行迁移。无论脊柱是双关节还是多段结构,腿部采用不同设计,想要实现高速高效奔跑,都要遵循这套时序原则。

05.

不完全依赖大模型算力,本体结构也能分担运动控制

现在行业做具身智能,大多将研发重心放在传感器迭代、算力升级以及复杂 AI 算法训练上。而这项研究提供了不一样的实现思路:将部分运动控制能力交由机器人物理本体完成,依托机械结构实现物理层面的智能。FLEXOR 的双关节耦合脊柱就如同一套机械节律发生器,可以复刻生物神经振荡器的周期运动,无需控制器高频输出复杂往复指令,依靠连杆机构即可生成脊柱周期性屈伸,既减轻上层控制器的运算压力,也降低了系统对传感器的依赖。

动物的运动本就是神经调控与肌肉骨骼物理特性协同作用的结果,但机器人研发中,不少方案习惯把全部运动任务交由算法承担,忽视了机械本体蕴藏的潜力。当然现阶段样机和真实象鼩的运动表现仍存在差距,驱动器功率密度是主要瓶颈,人工电机还无法比肩生物肌肉的单位质量输出能力。后续团队还将探索头部、尾部、脊柱弹性形变与全身多关节的协同关系,搭建更加完备的高速运动推进模型,为高机动机器人设计积累更多参考。

从研究本身来看,该研究深化了人类对于哺乳动物奔跑生物力学的认知,也为下一代高机动腿足机器人输出了一种可借鉴的仿生设计方法。而在机器人大讲堂来看,这项工作带给行业最重要的启示是,具身智能并非只有算力与算法这一条赛道,挖掘本体物理动力学潜力,同样是实现机器人高性能运动不可忽视的方向。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed5603

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