四足群机器人穿越崎岖地形 — 齐心协力

隔离初期，圣母大学教授兼机器人工程师 Yasemin Ozkan-Aydin 利用在家的时间组装机器人。

Ozkan-Aydin 开发了协作式腿式系统，可以作为一个团队在复杂的地形上机动。

为了在崎岖的地形和狭窄的空间中移动，Ozkan-Aydin 提出机器人之间的物理连接可以增强移动性。例如，如果单个机器人无法自行移动物体，为什么不让机器人组成一个更大的多腿系统来完成任务呢？

毕竟，蚂蚁就是这样做的。

“当蚂蚁收集或运输物体时，如果遇到障碍物，该群体会集体努力克服该障碍。例如，如果路径上有缺口，它们将形成一座桥梁，以便其他蚂蚁可以穿越——这就是这项研究的灵感来源，”Ozkan-Aydin 在最近的新闻发布 . “通过机器人技术，我们能够更好地了解这些生物系统的动力学和集体行为，并探索我们将来如何能够使用这种技术。”

Ozkan-Aydin 使用 3D 打印机制造了长度为 15 到 20 厘米的四足机器人。

每个机器人都包括一个锂聚合物电池、一个微控制器和三个传感器。除了光传感器外，每个机器人正面和背面的两个磁性触摸传感器允许系统连接。

四个灵活的腿减少了对额外传感器和零件的需求，并为机器人提供了一定程度的机械智能，这有助于在崎岖或不平坦的地形上进行交互。

“你不需要额外的传感器来检测障碍物，因为腿的灵活性有助于机器人直接越过障碍物，”Ozkan-Aydin 说。 “他们可以测试路径上的缝隙，用自己的身体架起一座桥梁；单独移动对象；或连接以在不同类型的环境中集体移动物体，与蚂蚁没有什么不同。”

Ozkan-Aydin 于 2020 年初开始研究这项研究，当时该国大部分地区因 COVID-19 大流行而关闭。打印完每个机器人后，Ozkan-Aydin 和她的儿子在她的院子里或操场上测试了受昆虫启发的系统。

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这位圣母大学教授在自然和人造的各种地形上进行了实验。机器人在草地、覆盖物、树叶和橡子，以及泡沫楼梯、粗毛地毯和粘在刨花板上的矩形木块的崎岖地形中穿行。

当单个单元卡住时，它会向其他机器人发出灯以显示请求帮助。感应到光线后，辅助机器人会连接并提供支持——它们一起行走时的推动力——以在集体工作的同时成功穿越障碍物。

Ozkan-Aydin 教授告诉 ：“辅助机器人通过跟随光梯度找到搜索机器人后，它会从背面和两个机器人上的触摸传感器连接到它，并告知机器人连接状态。”技术简介 .

研究小组最近在 Science Robotics 上发表了他们的研究结果 .

未来的研究将集中于提高系统的控制、传感和电源能力。

在技术简介的简短问答中 下面，Ozkan-Aydin 解释了一旦这些功能得到改进，swarms 可以做什么。

技术简介 ：磁性触摸传感器是如何工作的——它们的作用是什么，它们是如何控制的？

亚塞敏·奥兹坎-艾丁 ：每个机器人有两个磁性连接器，包括两个 N-S 极性的钕稀土磁铁，位于机器人的正面和背面。背面的磁性连接器连接到尾部，通过向上移动尾部可以反转其极性（S-N）。所以，当尾巴向上时，两个机器人可以相互连接，当尾巴向下时，它们可以分离。

技术简介 ： 当向机器人发送“帮助”信号时，帮助机器人如何知道该做什么以及该采取什么行动？

亚塞敏·奥兹坎-艾丁 ：当搜索机器人卡在楼梯或崎岖地形上时，帮助信号（打开机器人背面的明亮 LED 灯）发送给辅助机器人。卡住的[状态]由搜索机器人测量的光强度检测。当机器人被卡住时，它无法向目标（光源）移动，并且光强度不会改变。辅助机器人总是等待搜索机器人的信号。

当然，我们的系统也有局限性。例如，如果辅助机器人落在搜索机器人的光束之外，辅助机器人将无法找到它。在未来的设计中，应该使用其他类型的传感器（例如 GPS）来增强机器人之间的通信。然而，随着系统复杂性的增加，机器人变得更加难以控制。在这里，机械智能发挥着重要作用。

技术简介 :这里的“机械智能”是什么意思？它们究竟是如何相互作用的？当一个机器人挂在障碍物上时会发生什么？如何向其他机器人发送信号？

亚塞敏·奥兹坎-艾丁 ：机械智能是指一种机制对环境作出反应，适应新的外部情况，或自动执行某些功能而无需控制器的任何感官反馈或指导。每个机器人都有四个方向灵活的腿和一个尾巴。当腿或尾巴碰到障碍物时，它会向后弯曲并越过障碍物。在它通过障碍物后，复位弹簧将腿拉到其原始位置。这种被动弯曲还增加了接触面积，这使得单个腿或尾巴能够应对地形粗糙度的变化，在站立阶段失去地面接触，或者在空中阶段踩到或撞到障碍物。

所有机器人都有两个类似触摸传感器的开关来检测连接状态：一个在机器人的正面，一个在机器人的背面。当两个机器人连接在一起时，连接在尾部的圆顶形推杆同时接触前部机器人尾部和后部机器人头部的传感器。虽然机器人之间没有高级别的通信（例如，无线发送 GPS 坐标），但触摸传感器允许每个机器人知道它是否与其他机器人连接。除了触摸传感器，每个机器人的前底部还有一个光传感器或光电晶体管。该传感器用于测量环境的光强度并提供机器人之间的本地通信。

技术简介 ：你能放大一两个现实世界的实际应用吗？群体可以完成什么，以及如何完成？

亚塞敏·奥兹坎-艾丁 ：一群有腿的机器人可以执行现实世界的协作任务，例如搜索和救援行动、农业应用（如种植和收获、环境监测和作物检查等）、集体物体运输和太空探索。

技术简介 ：关于为它们供电，您能否设想某种能量收集方式，例如，基于运动？

亚塞敏·奥兹坎-艾丁 :这是很重要的一点，在以后的设计中需要改进。也许可以将能量收集机制（如压电材料）连接到机器人的腿上，它们可以在行走过程中收集能量，或者每个机器人都可以有一块太阳能电池板来为它们的电池充电。另一种选择是，只有一个机器人可以配备能量收集机构，以降低总成本，并且可以将动力传递给其他机器人。

技术简介 ：是什么激发了这项工作，尤其是自然模型？

亚塞敏·奥兹坎-艾丁 ：这项研究的灵感来自于多足动物，例如蜈蚣或千足虫，它们可以在各种地形中有效地移动，具有灵活的身体和四肢，以及可以自我组织和创建结构（例如桥梁）来解决问题的蚂蚁集体。

技术简介 ：您希望如何改进机器人？

亚塞敏·奥兹坎-艾丁 ：目前，机器人受到有限通信范围的限制。随着个体之间交流的改善，我们希望群体中的单位（四足动物）能够根据环境条件或他们执行的任务适当地协调并改变他们的步态。此外，机器人的尺寸可以根据要执行的任务进行缩放。

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