解析机械腿的发展历程

文/ 成舸

机器腿“大个儿”的最后一跳，有可能成为今后机器人行走的标准模式。是的，如果它更节能、更简单，并且适应多种环境，何必非要学着像人类一样迈腿。

在卡内基· 梅隆大学的机器人实验室里，研究生乔纳森· 赫斯特（Jonathan Hurst）和同事们紧张地盯着一条“腿”——它被架在一个转轴上，活像一条驴腿，而且正像驴一样不停地围着转轴傻跳，但跳得还不太稳，不时踉跄着，艰难地找着平衡。

这条高1 米左右、重几十千克的家伙是赫斯特的毕业杰作，他把它命名为“大个儿（Thumper）”。几个月来，它一直在实验室里艰难地学习着跳跃的动作。并非不会行走，而是它的使命就是如此。这个设计来自一个更为雄心勃勃的庞大计划——Rhex的一部分，其任务是开发出一个有6 条腿，能走、能爬楼梯、还能跑能跳的机器人。赫斯特的这条腿就是为这位还未降生的机器人准备的。

向自然学习

给机器人装上双腿的工作早就开始了。20 年前，MIT 著名的腿实验室研制出了一条能独立跳跃的自控腿。这条腿装备了微型计算机和电源，膝盖是它唯一的“关节”，而“脚掌”则是一个十字架。这条腿长1.5 米，能站立、伸直、朝前迈进并抬起来。

为了适应各种复杂的地形，腿实验室的后继者们对三种不同的运动步态——走、跑、跳分别展开了研究，更多的机器腿被制造出来，它们分别被命名为步行者（Walker）、跑步者（Runner）和跳跃者（Hopper）。很显然，科学家们的目的，是希望这些功能最终能集合到一个机器人身上。

然而直到目前为止，即使像日本本田公司制造的“阿西莫”这样的最新一代仿人机器人，能够慢跑、倒走和上下楼梯，却仍只能在平坦且没有阻碍的地面行走，并且需要消耗大量的能量。这时，像“大个儿”这样会弹跳的优点就显示出来了。

在自然界的生物中，很多昆虫、鸟类和兽类都擅长跳跃。一只跳蚤通常能跳到15 厘米高，30 厘米远；蝗虫更加厉害，可跳到30 厘米高，70 厘米远。赫斯特强调，模仿人类不是机器人的目的，而只是手段。跳着走的机器腿比像人一样迈步的腿更节能，而且可以走得更快。如果跳蚤能跳30 厘米远，那么以弹跳前进的机器人不用跳30 米，每次一米就足够跃过很多障碍了。

简单法则的胜利

在赫斯特之前，传统的弹跳腿设计几乎都很复杂：要么是电机带动齿轮，却不容易产生自然的弹跳姿态；要么是液压或气压传动，虽然能产生弹力，却往往难以控制。也有一些试图借鉴古老的弹簧。美国宇航局就曾研制过一种弹簧机器腿。赫斯特自己所在的实验室以前也设计过一种模仿“弓”的弹跳机器腿，当“弓弦”收紧，弓体就被压弯，从而在竖直方向上产生两个力，将机器人的身体顶离地面。

和众多前辈们不一样，年轻的赫斯特试图遵循一条古老的技术原则：保持简单。首先，他只保留了唯一的关节：膝关节，它足够保证两个基本的自由度：向上或向下，向前或向后。而踝关节和髋关节都被抛弃了。其次，他要决定正确的起跳力度和角度。一旦弹跳力和方向确定，腿就能以一定的初速度跳离地面，取得一定的高度和距离。为此，他总共只运用了三个电机：一个调节腿的总长，一个控制腿的角度，第三个调整腿部的刚性。接下来，他用一连串线缆和滑轮的组合作为传动装置；最后，他把储能装置换成了一对玻璃纤维做的长条形弹簧，它组成了腿最重要的部分：肌肉。当它们在钢缆拉动下张开时，就像一对拉满帆的双翼， 随时准备着将腿送离地面。

就这样，3 个驱动电机、5 根钢缆和铝滑轮连接、1 对玻璃纤维弹簧，几乎就构成了这条机器腿原型的全部。和那些全身缠绕了密密麻麻的电线、装有复杂的电路板、齿轮和电机组合的机器人相比，他的设计可说尽显简单之美。

这条腿的灵感也许来自于现代复合弓，连弹簧的材料都一样。我们知道，传统弓就是一根轻质木料配上弦，而复合弓则采用了新型的玻璃纤维，并在弓上加装了滑轮和线缆——看上去和赫斯特的机器腿多么相似！人拉弓弦时，滑轮和线缆将力传递给弓体，弓体储存和释放弹性势能，只不过是在水平方向，而机器腿利用的则是竖直方向。从这个意义上说，赫斯特的设计借鉴并超越了前人的思路。

能量消耗和起跳时的平衡一直是困扰弹跳机器人的难题，腿的自重越大，消耗的能量就越大，同时惯性也越大，因而也越容易失去平衡。研究表明，由肌腱和肌肉储存和释放的能量占日常能量总消耗的40％。而“大个儿”跳跃时消耗的能量却与相同体重的人相当，这很大程度上也归功于弹簧。据计算，要保证起跳时的动能，只需要75 克的弹簧就足够了。而如果将弹簧全都换成电机，重量则要增加30 倍。新的设计无疑大大减轻了机器腿的体重，从而减小了腿跳跃时的惯性，使它不容易摔倒。再加上弹簧本身就是天然的减震器，能量和平衡这两大难题就这样被巧妙地解决了。

机器人的一小步

赫斯特共制造了两条这样的机器腿，一条在卡内基· 梅隆的实验室，另一条在他的合作者，密歇根大学的吉策尔（Gizzle）教授那里，后者将被装配在一个名为“梅布尔（MABEL）”的双足机器人身上，用来进一步研究腿部运动的控制。

更多有价值的工作正在不少研究者那里悄悄进行，比如更清晰的成像技术、更敏锐的传感器以及更快速的运算处理芯片，这将使得机器人移动身体时具有更好的“感觉”和“智能”：在最短时间内对新的地形状况作出判断，为下一次起跳做好准备。有了赫斯特提供的简单、轻便、高效率、具有良好的弹性和稳定性的机器腿原型的帮助，相信这些都不再是遥不可及的事了。

相对于“假肢”这类现实应用而言，更具诱惑力的应用是在航天领域。目前，掌握登月计划的美国、俄罗斯、中国和日本的登月工具几乎都是带轮子的小车。据负责中国登月机器人项目的专家透露，未来“嫦娥”登月计划的首选也是轮式小车。然而，这并非因为车更好用，仅仅因为更合用的机器人还没有制造出来。实际上，在外星球表面的移动速度并不是那么紧要。早有研究表明，弹跳式的移动方式在诸多方面都挺适合月球。

如果赫斯特的这 项 .意能被成功运用到探月机器人上，无疑将为各国的登月计划开辟一条新的思路。也许今后的科幻电影里，将不再出现一个个笨重的多轮小车的身影，而是一只只像袋鼠一样灵活的弹跳机器人——它们跳得足够高、足够远，几乎能适应各种未知的月表环境，看上去和飞行器没多大差别，那将是真正兼擅空中和地面的两栖机器人。

当然，研究者们并不希望机器人只是像袋鼠那样能跳。他们还希望在远距离行驶时能像汽车那样快，在需要休息的时候可以慢腾腾的陪着散步，甚至还可以搬回家里。这才是人们想要的。但这将是下一步要解决的问题。实际上，相对于弹跳运动而言，轮子、爬行和步行的研究已较为成熟，如何把弹跳运动和这些运动方式相结合，使机器人具有更高的机动性，正是弹跳机器人最重要的发展方向之一。年轻的赫斯特对这样的未来很有信心，“人们希望它发生，它就会发生”。

图注：

一只跳蚤通常能跳到15 厘米高，30 厘米远。虽然和人类相比，这样的距离看上去似乎不算什么，但只要想想跳蚤的身高和体重，就能明白这不是件简单的事。体格与人类接近，生活在澳大利亚草原上的袋鼠，其跳跃能力远在人类之上。一只18 千克重的袋鼠，跳起来最高可达3 米，最远竟可达9 米。而两栖类的青蛙，擅长跳跃也是有目共睹。

2005 年，荷兰代夫特工学院展出了名叫“丹尼斯”的机器人。其踝关节的设计借用了溜冰板的原理，当遇到不规则的路面时能够调整自己的步伐维持平衡，但缺点是消耗的能量多。卡内基·梅隆大学的机器人实验室里，“大个儿”被架在一个转轴上艰难地学习着跳跃。

2006 年，日本丰田公司研制的单足机器人，高1 米。丰田公司在脚踝上设计了新型关节，使其可以跃起4 厘米。