Ascento: A Two-Wheeled Jumping Robot

Abstract(摘要)

地面移动机器人(mobile ground robot)的应用要求在复杂的室内环境中导航的同时具有较高的速度与灵活性。拥有这些技术参数(specification)的系统将在多种多样的室内巡检任务(indoor inspection task)中发挥重要作用。本文主要介绍了Ascento，一个紧凑的双足轮式机器人(wheeled bipedal robot)，它可以在平坦的地形上快速的移动，并通过跳跃跨越障碍物。论文展示了机械设计与系统的整体结构，以及针对不同场景的控制器的开发。

I. Introduction(介绍)

过去十年，有能力的移动机器人的出现推动了巡检机器人（特种机器人的子类）在研究和产业上的发展。

尽管飞行系统如无人机已经展现了非常好的机动性(maneuverability)，但它们在负载和飞行时间上非常受限。可以快速导航并掌握室内障碍的地面机器人仍然是研究的主题，并且这类机器人通常在移动中缺乏速度或多功能性(versatility)。

地面机器人的移动方式可以被粗略地划分为两个主要方向：基于腿足与基于轮子。尽管一些针对室内空间的步行机器人能很好地克服如阶梯或光滑地面这样的障碍，但它们执行复杂运动花费了大量时间。相比之下，带有旋转元素的机器人比如带有轮子的机器人就非常适合平坦的地面，因为他们可以流畅、高效、快速地移动。然而，这种机器人并不能应对粗糙不平的地形，特别是当障碍物大于轮子半径时。一个例外是具有连续履带的系统。它们可以轻松克服粗糙不平的地形与小障碍物，但由于滑移，它们在转弯时不精确也不高效。

能够在平坦地面上快速流畅地移动，并且灵活地克服障碍物的机器人非常少见。大多数系统的设计主要针对于这些能力之一，而忽视了剩下的能力。

我们的目标是开发一个结合了腿的多功能性与轮子的室内机器人，它可以通过跳跃克服障碍，并在平坦的地面上高效快速地移动。狭小的室内环境可能会在很大程度上损害机器人的机动性。因此，我们的系统必须有一个高度紧凑的设计。

现有的结合了跳跃和行驶(driving)的系统，要么以重复性为代价提高跳跃高度，要么需要很长的时间来给跳跃机构充能。据作者所知，在参考文献15中展示的系统是与Ascento机器人的设计最相近的。它高效地结合了腿与轮子，但它的尺寸使得它不适合室内空间。在这篇文章中，我们展示了Ascento，一个小型的双轮跳跃机器人，它特别适合室内环境。Ascento的结构部件全部都经过了拓扑优化，并且都是通过3D打印制造。优化的腿部几何形状将行驶与跳跃解耦，并且允许机器人能够从不同跌倒场景中恢复。我们通过LQR(linear quadratic regulator)控制器实现了稳定(stabilization)与行驶。对于跳跃和跌倒恢复，我们使用了带有反馈跟踪(feedback tracking)的顺序前馈(sequential feed forward)控制器。我们在多次实验中，利用真实世界的原型样机证明了稳定行驶，跳跃和跌倒恢复。

这里所说的stabilization应该是指保持自身平衡，自平衡的能力

三个主要贡献总结如下：

拥有平行弹性跳跃机构(parallel elastic jumping mechanism)的双轮平衡机器人的机械设计，并且使用了拓扑优化的部件。
控制机器人的专门软件(dedicated software)
在现实世界原型机上成功经过实验验证了想法

这篇文章的剩余部分的结构如下：在II中，我们描述了系统的机械设计并列出了集成的硬件。在III中，我们给出了系统模型的要点，这个模型被用于基于模型的控制(model-based control)。IV中给出了系统的控制结构的说明，IV-A中描述了稳定平衡的控制策略，IV-B中跳跃，IV-C是关于跌倒恢复。V中展示了现实世界实验的评估。我们在VI中列出了机器人处于开发阶段的功能，并在VII中总结。