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蟑螂和机器人将其摇晃以在棘手的地形之间移动:动物的运动过渡与克服潜在的能量障碍相对应,中国机器人网,vrovro.com
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蟑螂和机器人将其摇晃以在棘手的地形之间移动:动物的运动过渡与克服潜在的能量障碍相对应
2020年08月28日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

处于自然环境中的动物每天都会毫不费力地切换动作,以狩猎,逃避捕食者并随身携带它们的背包旅行。

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通过追赶蟑螂经过障碍物路线并研究它们的运动,带给您蟑螂机器人和蛇机器人的约翰霍普金斯大学工程师发现,动物的运动转变与克服潜在的能量障碍相对应,它们可以抖动以在复杂的地形中穿越障碍物。


研究结果报告将于6月15日发表在“美国国家科学院学报”中中国机器人网vrovro.com


约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)机械工程助理教授,物理学家,论文的资深作者陈力说:“我们的发现将有助于使机器人更坚固耐用,并扩大其在现实世界中的运动范围。”


李说,随着移动机器人即将融入社会,重要的是它们必须能够轻松,高效地穿越周围的世界。虽然一些自动驾驶机器人(例如自动驾驶汽车和真空吸尘器)在导航平面和在障碍物之间的移动(例如前进,U形转弯和停止避开障碍物)之间进行过渡时已经非常出色,但许多关键用途(例如在瓦砾中进行搜索和救援) ,建筑物中的检查和监视以及通过岩石进行太空探索,需要机器人与其地形进行物理交互以横越而不是避免障碍物。


“研究和救援机器人不能仅仅通过避开障碍物来操作,就像真空机器人会试图避开沙发一样,”李丽芬实验室的研究生,该研究的第一作者拉坦·奥萨索斯说。


“这些机器人必须经过瓦砾,并且必须在三个维度上使用不同类型的运动。”


但是,机器人仍然很难做到这一点,因为科学家对机器人与复杂地形的物理交互如何影响其在不同运动之间转换的能力的认识不清。研究人员说,对动物的这种了解可以使研究人员建造更多的动态机器人。


为了对此进行调查,Othayoth创建了一个障碍物路线,即“梁”或安装在弹簧上的高大的可弯曲板,旨在复制柔软的草叶,并跟踪蟑螂如何在两种类型的3-D运动之间过渡以使其越过梁。这两个动作是:“俯仰”,或蟑螂向上倾斜身体以推向横梁,直到它们弯曲得足以让路,这是费力的。当蟑螂卷入横梁之间的缝隙中滑动时更容易滚动。


研究人员以数字方式重构了蟑螂和横梁的3D运动,以查看俯仰和横摇运动如何看待势能景观-该图显示了动物和横梁的总势能随动物身体向何处移动的方式变化光束并旋转。该图描述了重力和作用在动物身上的梁的弹性弯曲力的综合作用,就像重力场或电场可以描述作用在点质量或电荷上的力一样。不同之处在于动物是自走式的,并承受额外的摩擦力和阻尼力,从而增加了运动的复杂性。


这种能量状况表明,从俯仰运动到侧倾运动的过渡是从一个能量“盆地”过渡到景观中的另一能量“盆地”。


李说:“想象一下,你有一个碗,里面放了一块大理石。大理石会到达最稳定的碗的底部。每次蟑螂运动时,它们都会被拉向碗的底部。” “我们发现每种运动都可以用一个这样的碗来描述。”


“现在想象您有两个碗。当蟑螂从俯仰运动转变为侧倾运动时,就像它们从一个碗的底部跳到另一个碗的底部一样。”


这表明,为了从一种运动过渡到另一种运动,昆虫必须克服第一个碗的侧面,换句话说,必须具有足够的能量来克服能量屏障。


研究人员发现,蟑螂的四肢抖动使身体摇晃,使身体获得了足够的能量,从而克服了从更费劲的俯仰到更轻松的横滚运动的障碍,从而有利于横越。


该团队还建造了一个机器人来模仿蟑螂的行为,并进一步改变了它的抖动程度。机器人抖动得越多,它越需要越多的能量来克服能量屏障,从而从推动光束过渡到滚动进入间隙以进行遍历。


这些结果说明了为什么经常抖动的有腿机器人(例如RHex,这种已经出现了几十年的六腿机器人,在流行媒体中普遍可见)出奇地擅长穿越大障碍,即使不使用任何传感器也不小心运动计划。


李说:“这种'动摇自己'的策略是最简单的过渡方式。” “动物可以-并且机器人应该-进行更仔细,主动的调整,使其做得更好。这就是我们下一步要研究的内容。”


李和团队说,这种能源景观的新方法阐明了动物如何利用物理相互作用在不同类型的运动之间进行转换,并将引导机器人更好地穿越复杂的3D地形,例如地震瓦砾。


“如果成功,李教授团队正在开发的框架将是我们实现快速,强大的机器人的能力的飞跃,该机器人能够巧妙地处理混乱的地形,”美国陆军研究办公室项目经理Samuel Stanton说。陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室。


陆军研究办公室,科学界的Burrough Wellcome基金职业奖,阿诺德和梅贝尔·贝克曼基金会贝克曼青年研究者奖以及约翰·霍普金斯大学怀廷工程学院的启动资金为这项研究提供了资金。


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