移动机器人建模 科学家潜心研究六年蟑螂步态，开发全新多足机器人步态及运动模型

此文特别感谢约翰霍普金斯大学工程学院机械工程学助理教授黎陈所给予的支持。

你了解蟑螂吗？普通人会说这是一种害虫，繁殖很快，而且会传播细菌；昆虫学家会说蟑螂属于节肢动物门，昆虫纲，蜚蠊目（Blattaria）体扁平，黑褐色；而毕业于北京大学，目前是约翰霍普金斯大学工程学院机械工程学助理教授的黎陈则会说，机器人通过模仿蟑螂的运动轨迹，可以得到更强的机动性。

就在今年 2 月，黎陈在《Bioinspiration & Biomimetics》期刊上连续发表了两篇论文，题目分别为《昆虫与多足机器人在颠簸地形中、身体与地面间的交互》（Body-terrain interaction affects large bump traversal of insects and legged robots）和《昆虫与多足机器人在跨越巨型间隙时的动力模型》（Dynamic traversal of large gaps by insects and legged robots reveals a template）。

在第一篇论文中，黎陈指出，昆虫与多足机器人在穿越复杂地形时，面对大型障碍物时，他们必须要快速穿越。但是在这个过程中，昆虫和多足机器人的身体都会和障碍物发生接触。以现有的科学成果来看，科学家对于这个过程的描述是和理解都是欠缺的，比如机器人需要达到什么样的性能才能穿越特定高度的障碍物等等。

为了解决这个问题， 黎陈和博士后研究者 Sean W. Gart 展开了研究。他们选择观察的对象是蟑螂，因为蟑螂在快速奔跑的过程中，可以穿过高于其尾部四倍的障碍物，远远超过了现有多足机器人所能达到的水平。

起初，研究团队认为，玄机可能在蟑螂腿上的刺。然而，足跗节的刺实际上是一种感知器官，类似于人类的眼睛、鼻子和嘴。移动机器人建模这些刺有感受嗅觉功能，用来寻找食物和发现配偶，同时还有感受声音、振动的功能，以避开敌害。

既然不是这些刺，那答案究竟会是什么呢？于是黎陈和 Sean 准备了一个密封的透明箱子，箱子里面有两条“赛道”，分别是颠簸赛道和巨型间隙赛道，箱子外面则是高速摄影机。这两条赛道分别用来模仿蟑螂平时的生活环境，以更好的观察这些昆虫的习性。

图丨波士顿动力所掌握的步态技术与主流截然不同

后来，他们发现，蟑螂的步态规律和传统仿蟑螂式六足机器人设计中提到的并不相同。传统的机器人所采用的步态名为交替三角形步态，即将身体两侧的六条腿分成两组，以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的 中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。

当一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动支撑身体，接着重心前移，并以中足为支点向前移动，同时机体的重心落在另一组三角形支架的三只足上，然后再重复前一组的动作，以此交替运动使机体前行。

多足机器人的移动需要保证三点：1.满足机身运动约束；2.保证摆动腿足端能够落到理想的落足点；3.确保机身具有足够的稳定裕度。通常，多足机器人为了实现第二点和第三点需要不断调整机身位姿，这是一个复杂且不稳定的过程，会影响机器人的步态效率，从而降低穿越障碍的成功率。

图丨昆虫的三角步态行走

事实上，蟑螂的步态非常特殊，结合了动量景观模型的测算后，黎陈和 Sean 得出了结论：蟑螂和多足机器人在穿越障碍时，保持低初始偏航角和高初始俯仰角的步态会使得穿越的成功率变高，并且能够突破更崎岖的路面以及更高的障碍。因此，他们改进了传统的交替三角形步态，新步态可以跨越的高度比以往高了75 %。

跨越间隙

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