文章来源 机器人大讲堂

攀岩、负重、跑步样样行，这个机器人是不是偷偷报了三项全能？

UCLA(加州大学洛杉矶分校)的研究团队开发出了一款名为SCALER的四足机器人。这个仅重6.3公斤的机器人不仅能在地面上以0.56米/秒的速度奔跑（相当于每秒移动1.87个身长），还能承载高达14.7公斤的负载，是自身重量的2.33倍。

在攀爬方面，SCALER能够以每分钟0.35米的速度在攀岩墙上攀爬，相当于每分钟攀升一个身长的高度。在垂直墙面上，它还能携带相当于自身重量35%的额外负载。

SCALER的诞生源于科研人员对攀岩机器人的深入思考。传统的攀岩机器人往往专注于攀爬能力，但缺乏在地面上的灵活性。而SCALER的设计理念是打造一个全能型机器人，既能自如攀爬各种复杂地形，又能在平地上展现出优秀的运动性能。

▍创新的身体结构设计

SCALER最引人注目的特点之一是它独特的身体结构。与大多数四足机器人不同，SCALER采用了一种可变形的四连杆机构设计。这种设计赋予了SCALER"移动腰部"的能力，使它能够根据需要调整身体姿态。

这种可变形身体结构显著增加了机器人的工作空间，使SCALER可以轻松触及更远的位置，无需过度伸展四肢就能完成更大范围的动作。更重要的是，这种设计极大地提升了机器人的负载能力。

研究团队为SCALER开发了一种名为"SKATE"的独特步态。这种步态巧妙地利用了身体姿态调节机构，使机器人能够分阶段提升自身重量，而不是一次性承担全部负载。

SKATE步态的工作原理如下：首先，机器人将一侧的前肢向前移动。然后，通过旋转身体姿态调节器，同时用该侧的前后肢推拉，将身体的一半向前推进。接着，再将该侧的后肢向前移动。完成这一系列动作后，机器人会切换支撑侧和提升侧，重复上述过程。

▍高效灵活的腿部设计

SCALER的每条腿融合了并联机构和串联机构的优点。每条腿拥有6个自由度，其中包括一个2自由度的五连杆并联机构、一个肩关节和一个球形腕关节。

这种设计的巧妙之处在于它既保证了足够的力量输出，又不失灵活性。五连杆并联机构和肩关节各由两个电机驱动，这种"双电机驱动"的设计不仅提供了更大的力矩输出，还能更好地散热，避免在高强度工作时出现过热问题。

研究人员在腿部重量分配上做了精心的权衡。他们将部分重量分配到身体和腕部，使用碳纤维管构造中间连杆，以达到最佳的重量分布。这种设计在保证攀爬性能的同时，也为地面运动提供了良好的惯性特性。

SCALER的腿部设计还包括一些技术细节。例如，五连杆并联机构的设计灵感来自于人类的肩胛骨和锁骨结构。这种设计不仅提高了力量输出，还增加了机器人的工作空间。此外，腿部的球形腕关节采用了特殊的摩擦力设计，可以在不消耗额外能量的情况下保持稳定的姿态，这对于攀爬过程中的稳定性至关重要。

▍创新的GOAT机械手爪

作为一个攀岩专家，SCALER配备了名为GOAT的特殊机械手爪。这种手爪采用了基于负载平衡连杆系统的GOAT机构，是一种机械自适应的欠驱动刚性双指手爪。

传统的双指手爪只有开合一个自由度，而GOAT手爪拥有2个自由度。这种设计使得手爪能够自动调整抓取位置，补偿由于重力或系统误差导致的末端执行器位置偏差。

GOAT手爪的指尖配备了"刺状"结构。这些微小的刺能够插入岩石表面的细小缝隙中，极大地增强了抓握力。这就像攀岩运动员使用特制的攀岩鞋，能够利用岩壁上最细微的凸起和裂缝。

值得一提的是，GOAT手爪的设计还考虑到了与攀岩墙的兼容性。研究团队专门设计了一种可以与GOAT手爪配合使用的攀岩墙板。这种墙板表面有特殊的凹槽设计，可以为GOAT手爪提供更好的抓握点。这种设计不仅提高了机器人的攀爬性能，还为未来的实验研究提供了标准化的测试平台。

▍先进的控制系统和传感器技术

SCALER的出色表现离不开其先进的控制系统和传感器技术。机器人采用了分层控制架构，包括高层规划、中层控制和低层执行三个层次。

高层规划主要负责路径规划和任务分解。SCALER采用了一种基于视觉的路径规划算法，可以实时识别攀岩墙上的抓握点和支撑点，并生成最优的攀爬路径。这个算法还能根据机器人当前的负载情况和能量状态，动态调整攀爬策略。

中层控制负责将高层规划的指令转化为具体的运动序列。SCALER使用了一种基于模型预测控制（MPC）的算法，可以在考虑机器人动力学模型的基础上，生成平滑且高效的运动轨迹。这种控制方法不仅提高了运动的精确性，还能有效地应对环境中的不确定性。

低层执行则直接控制各个关节的运动。SCALER采用了先进的力矩控制技术，可以精确地控制每个关节的力矩输出。这种控制方法使得机器人能够更好地适应不同的表面材质和倾斜角度，提高了攀爬的稳定性和效率。

在传感器方面，SCALER配备了多种先进的传感器，包括视觉传感器、力传感器和惯性测量单元（IMU）。视觉传感器用于环境感知和路径规划；力传感器安装在每个脚掌上，可以精确测量与攀爬表面的接触力；IMU则用于测量机器人的姿态和加速度。这些传感器的数据通过复杂的融合算法进行处理，为控制系统提供准确的状态估计。

此外，SCALER还采用了一种创新的触觉反馈系统。每个GOAT手爪都配备了高灵敏度的触觉传感器，可以感知微小的表面纹理和抓握力变化。这些信息被用来优化抓握策略，使机器人能够像经验丰富的攀岩者一样，"感受"攀爬表面的特性。   

▍未来应用前景

SCALER的研发代表了多功能机器人领域的重要进展。它结合了优秀的攀爬和地面运动能力,为多个领域带来了新的可能性:

灾难救援: 在地震后的废墟中搜寻幸存者或评估建筑安全；野外探索: 适应复杂地形,携带传感器收集数据；工业应用: 协助高层建筑或大型工业设备的维护和检修；安全领域: 用于侦察或探索难以到达的区域。

SCALER的技术创新，如独特的身体结构和GOAT手爪机构，也为仿生机器人设计提供了新思路。

随着技术进步，类似SCALER的全能型机器人有望在更多复杂场景中发挥作用，成为人类探索和工作的有力工具。UCLA的这项研究展示了机器人技术的发展潜力，我们期待看到更多相关领域的突破。