一个由九名大学生组成的团队为他们的期末项目制作了创新的跳跃机器人
小，敏捷的“Ascento”爬楼梯和避免障碍
这场辩论已经进行了两个多星期。那是2017年夏末，9名工程学本科生在瑞士联邦理工学院Zürich (ETH Zürich)合作完成他们的期末项目。他们已经同意用这一学年的时间来制造一个可以在平面上快速移动并爬楼梯的机器人。但他们对设计意见不一。一些想法的排名高于其他想法，包括一个带有踏板的坦克状机器人和两个带有风车状轮子的机器人的变种，它可以用它自己推和拉自己上一段楼梯。有了这些，学生们看到了设计、制造和操作工作机器人的更好机会。但每一种设备都有其缺点，比如太笨重、太慢或与其他研究人员已经制造出来的机器人太相似。
最具创新性的想法是用轮子代替脚的双腿跳跃机器人，但并不受欢迎。每个人都能看到设计和编写这样一台机器是多么困难。他们必须克服许多工程和软件上的挑战，才能让它在滚动时保持平衡，更不用说跳跃了。似乎是不可能的。“我反对一个会跳的机器人，”团队成员维克多·克莱姆说，他是一名机械工程专业的学生。“要想在两个轮子上完成跳跃并恢复稳定，机器人必须非常敏捷，并拥有尖端的运动控制技术。”
突然，队员弗洛里安·韦伯说话了。机械工程专业的学生Lionel Gulich回忆道:“他说，‘伙计们，让我们试试跳跃这个，因为尽管它可能是最难的，但它是最酷的，这可能是我们生命中最后一次有选择的机会。’”渐渐地，韦伯说服了一个又一个学生，直到所有人都同意了。
这个决定最终产生了Ascento它是一个重23磅的双足机器人，能够在平坦的地形上以每小时5英里的速度滚动，垂直跳跃14英寸而不摔倒。它可以跳过障碍，慢慢地跳上一段楼梯。车载摄像头和传感器可以生成周围环境的3D地图，当与视觉和路径规划算法相结合时，可以使机器人自主驾驶。
“要想在两个轮子上完成跳跃并恢复稳定，机器人必须非常敏捷，并拥有尖端的运动控制技术。”
维克多·克莱姆，ETH机械工程专业学生Zürich
领先一步
到今年9月开学时，这9名工程专业的学生根据兴趣爱好分成了4个小组:电子学、软件控制、建筑与设计、感知与计算机视觉。他们有五周的时间来构建一个原型，并在三次中间演示中的第一次展示他们的进展。利用ETHZ可用的办公空间，他们开始每天开会，勾勒出可以爬楼梯的机器人的想法。他们用MATLAB提出了20个概念®为了评估基本动作，我们将它们归结为四个看起来最可能的选项。从那里开始，他们用纸板和乐高积木制作了粗糙的物理模型®并创建了3D计算机辅助设计图纸。ascento -这个名字是在早期由感知和计算机视觉团队成员Nicola Küng-was提出的。
几周后，学生们就有了一个坚实的设计，并能够3d打印出他们的第一个机器人身体原型。
Ascento团队使用乐高积木和定制的3d打印和激光切割组件来测试各种轮子和机器人设计。图片来源:ETHZ
在这些概念阶段，很明显，如果他们想要一个轻量级、耐用的机器人，他们需要将机载电机和电子设备的数量降到最低。学生们使用MATLAB中的优化工具将注意力集中在一种不同寻常的腿部设计上，这种设计使得每个髋关节都有一个腿部马达成为可能。设计是这样的:每条腿有一个小腿骨(在膝盖和车轮之间)，但有两个大腿骨。其中一根股骨连接机动髋关节和弹性膝关节，以控制跳跃。另一根股骨与第一根平行，连接到一个别针关节和第二个膝关节，在机器人驾驶时稳定机器人。两条股骨的形状和它们与小腿骨的连接类似一个平行四边形。几周后，学生们就有了一个坚实的设计，在建造和设计小组成员多米尼克·曼哈特的大力帮助下，他们能够3d打印出机器人的第一个身体原型。
当时是10月，第一次中期报告的截止日期迫近了。Gulich和他的队友Marcus Vierneisel和Klemm都是软件控制团队的成员，他们觉得有必要让机器人在轮子上保持平衡。他们从大学里搜罗了轮子马达、传感器和其他电子部件，把它们加到Ascento上，然后拼凑出一个控制系统，使机器人在缓慢前进和后退时保持稳定。这是一项重大成就。在短短五周的时间里，他们从20个不同的机器人草图变成了一个能够在轮子上保持平衡而不翻倒的工作模型。
“这给人一种很酷的印象，”克莱姆说。整个团队欣喜若狂。“但这也被证明是一个陷阱，”他说。被黑的平衡系统不足以适应更快、更强大的发动机，而阿森斯托最终需要的计算机控制系统在行驶和跳跃时保持稳定。下一次演示计划在圣诞节之前进行，前面的路比团队成员想象的要长得多。
该团队使用3D打印机创建了Ascento机器人的第一个原型。图片来源:ETHZ
平衡
因为物理控制着系统的动力学，让机器人正常工作是一个数学问题。克莱姆的任务是将物理系统转换成数学模型。为此，他利用各种结构元件的质量、运动部件的惯性和其他信息，在MATLAB中推导出描述理想机器人理论上如何运动的方程。接下来，他将这些方程插入Simulink中®建立计算机模拟。在那里，他不仅进行了测试，让他更好地了解机器人的能力，还设计了旨在产生最佳运动的算法原型。例如，在模拟中，机器人首先感知到自己的上半身向前倾斜，然后加速下半身赶上，从而避免自己向前跌倒。
克莱姆说，人也是这样做的。“如果你站着的时候开始向前摔倒，你就会向前迈一步以恢复平衡。”
该团队使用MATLAB和Simulink对平衡算法进行优化，一旦它们在仿真中运行良好，就将优化后的参数转移到真正的Ascento机器人上。接近12月底，学生们在第二次迭代的机器人上安装了更好、更强大的马达和传感器。但每次他们进行测试时，机器人都会摔倒。他们会排除机械故障，在Simulink中重新测试控制算法，转换代码，并重新安装在机器人上，然后它就会掉下来。这样持续了好几个星期。“我们非常震惊。我们想，‘是的，我们有了新的硬件，电池，传感器，我们有了电脑，我们有了昂贵的马达，现在一切都比以前容易多了。’但恰恰相反，事实并非如此，”克莱姆说。
在第二次演示的截止日期前几天，包括克莱姆、古利奇、科伦丁·菲斯特和亚历山德罗·摩拉在内的几名学生连续两个通宵，努力推动机器人稳定下来。它就是不平衡。在演示的当天，该团队展示了他们的状态，并播放了一段机器人疯狂地来回摆动的短视频。队员们很失望，但很坚定。一位朋友问克莱姆是否准备放弃。克莱姆说:“我告诉他，如果到5月还不能平衡，我就放弃我的工程专业。”
例如，在模拟中，机器人首先感知到自己的上半身向前倾斜，然后加速下半身赶上，从而避免自己向前跌倒。
一个小跳
2018年春天，机器人团队取得了进展。他们做了一个很大的改变，这将提高他们成功的机会:他们不再使用USB端口向Ascento的马达发送命令，转而使用专门为这项任务设计的通信协议。该协议被称为控制器区域网络，针对电机通信和高速进行了优化。有了它，他们将发送给马达的指令数量从每秒20条增加到每秒400条。模拟并没有错;信号要花太长时间才能到达马达。这是众多学习时刻中的一个。事后看来，使用USB端口是naïve。没有一个合格的工程师会这么做。”
但即使有了新的协议，他们也无法让机器人稳定下来。复活节临近，第三次演示将在两周内完成。古利希和他的一些队友去度假了。其他一些人，包括Klemm，留在了公司继续开发Ascento。由于无法解决平衡问题，克莱姆和摩拉开始向其他工程系的学生和教员寻求建议。一名博士生观看了机器人坠落的视频，并查看了该团队的一些数据，他说他觉得倾斜传感器看起来很奇怪。团队成员发现设置没有被调整为平衡，这导致了反应时间的延迟。他们进行了调整，在20分钟内，机器人就稳定了。
“这是一个伟大的时刻。这只是一个设置，我们调整了它，它完美地平衡了。我们非常开心，”克莱姆说。
距离最后的演示还有三周的时间，他们仍然需要改进机器人的能力，使其保持稳定的平衡，并使机器人跳跃。控制组开始轮班，只睡了6个小时就回去工作了。几个团队成员会花一天的时间尽可能多地取得进展，然后把它交给下一个团队。他们让机器人跳了起来，但着陆时很颠簸。在学生接住它之前，它几乎要掉下来了。
这种情况持续了好几天。一天晚上，在克莱姆和古利奇睡觉的时候，团队成员，包括维尔内塞尔和西罗·萨尔兹曼，让机器人跳起来并平稳地着陆。古利希醒来时看到手机上的视频。团队里的每个人都冲到办公室亲自去看。他们打开了一瓶香槟，这瓶香槟从项目开始的第一周就放在冰箱里了。
阿森托和目前的团队成员，从左起，多米尼克·曼哈特，西罗·萨尔兹曼，亚历山德罗·摩拉，莱昂内尔·古利奇和维克多·克莱姆。图片来源:ETHZ
“(跳跃机器人)是所有想法中最酷的，现在两年过去了，我们仍然绝对热爱轮子、腿和跳跃的技术。”
Lionel Gulich, ETH机械工程专业的学生Zürich
当Klemm和Gulich回顾他们的经历时，他们都说他们很高兴选择了最难的机器人。“这是所有想法中最酷的，现在两年过去了，我们仍然绝对热爱轮子、腿和跳跃的技术，”Gulich说。
克莱姆说，如果他们选择了一个更简单的机器人，他们两年前就已经完成了，然后就会各行其是。虽然它可以轻松地跳上楼梯的高度，但它需要一个滚动启动。他们想加快速度。9名学生中的5名在研究生学习期间留下来继续完善Ascento。他们都把大学研究的一部分集中在机器人的技术方面，发表了两篇学术论文，并在一些会议和活动上发表了演讲。
该团队将机器人视为一个可定制的平台，可以支持一系列传感器，如热成像相机，麦克风，激光扫描仪，或化学传感器，可根据工业需要更换。例如，这种小巧的机器人可以检查仓库库存，查找工业区的化学品泄漏，或者绘制新的建筑工地地图。它甚至可以在灾区搜寻幸存者。下一个版本的Ascento，他们希望在三个月内准备好，将更接近这个理想的最终产品。
对克莱姆来说，那一天将是苦乐参半的。“要做的事情太多了，这是一个如此有趣的系统，”他说。“我不想让它结束。”
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