学生在一学年内打造创新型跳跃机器人-MATLAB和Simulink

辩论已经进行了两个多星期。2017年夏末，九名工科本科生在瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH苏黎世）完成了他们的最后一个项目。他们同意用一学年的时间建造一个机器人，可以在平坦的地面上快速移动，也可以爬楼梯。但他们无法就设计达成一致。有几个想法排名高于其他想法，包括一个带踏板的坦克式机器人和两个类似风车的轮子的机器人变种，可以用来推拉自己上一段楼梯。通过这些，学生们看到了设计、建造和操作工作机器人的更好机会。但每种设备都有其缺点，例如体积太大、速度太慢或与其他研究人员已经制造的机器人太相似。

最具创新性的想法，一个用轮子代替脚的双足跳跃机器人，并不受欢迎。每个人都可以看到设计和编程这样的机器是多么困难。他们必须克服许多工程和软件挑战，才能在滚动时保持平衡，更不用说跳跃了。这似乎是不可能的。团队成员维克多·克莱姆（Victor Klemm）是一名机械工程专业的学生，他说：“我当时反对一个跳跃机器人。”。“要在两个轮子上完成跳跃并重新获得稳定性，机器人必须非常敏捷，并具有尖端的运动控制技术。”

突然，团队成员弗洛里安·韦伯发言了。机械工程专业的学生莱昂内尔·古利奇回忆道：“他说，‘伙计们，让我们试试跳一次吧，因为虽然这可能是最难的，但却是最酷的，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，直到所有人都加入进来。

这一决定最终产生了阿森托这是一个重23磅的两足机器人，能够在平坦的地形上以每小时5英里的速度滚动，并能垂直跳跃14英寸而不会摔倒。它可以跳过障碍物，慢慢地跳上一段楼梯。车载摄像头和传感器可以创建周围环境的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。

“要在两个轮子上完成跳跃并重新获得稳定性，机器人必须非常敏捷，并具有尖端的运动控制技术。”

站起来

九月份开学时，九名工科学生根据兴趣分成了四个小组：电子、软件控制、建筑和设计、感知和计算机视觉。他们有五周的时间制作一个原型，并在三个中间演示中的第一个演示中展示他们的进展。利用ETHZ的可用办公空间，他们开始每天开会，草拟出可以爬楼梯的机器人构想。他们提出了20个概念，并使用MATLAB^®为了评估基本动作，将它们归纳为四个看起来最可能的选项。从那里，他们用纸板和乐高制作了粗糙的物理模型^®块并创建了三维计算机辅助设计图纸。Ascento这个名字是由感知和计算机视觉团队成员Nicola Küng在早期提出的，现在已经开始走到了一起。

在几周的时间里，学生们手头有了一个坚实的设计，并能够3D展示他们的第一个机器人身体原型。

可以爬楼梯的机器人的六个早期物理概念，展示了用纸板或乐高<sup>®</sup>积木建造的轮子和腿的模型。 — 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车轮和机器人设计。图片来源：ETHZ

在这些概念阶段，很明显，如果他们想要一个轻便耐用的机器人，他们需要将车载电机和电子设备保持在最低限度。学生们使用MATLAB中的一个优化工具将注意力集中在一个不寻常的腿部设计上，该设计使得每个髋关节中只有一个腿部电机成为可能。设计是这样的：每条腿有一块小腿骨（膝盖和轮子之间），但有两块股骨。其中一根股骨与一个机动髋关节和一个弹性膝关节相连，以控制跳跃。另一根股骨与第一根股骨平行，与一个销关节和第二个膝关节相连，以在机器人驾驶时稳定机器人。两股股骨的形状及其与小腿骨的连接类似于平行四边形。在几周内，学生们手头就有了一个坚实的设计，在建筑和设计小组成员多米尼克·曼哈特（Dominik Mannhart）的大力帮助下，他们得以3D绘制出机器人的第一个原型。

现在是10月，第一次中期报告的截止日期迫在眉睫。Gulich和队友Marcus Vierneisel与Klemm一起是软件控制团队的成员，他们觉得有必要让机器人在车轮上保持平衡。他们从大学里收集了车轮马达、传感器和其他电子部件，将它们添加到Ascento中，并整合了一个控制系统，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。在仅仅五周内，他们就从20个不同的机器人草图变成了一个能够在车轮上保持平衡而不会翻倒的工作模型。

克莱姆说：“这给人的印象很酷。”。该队欣喜若狂。“但事实证明这也是一个陷阱，”他说。破解过的平衡系统不足以容纳速度更快、功率更大的发动机，而Ascento的计算机控制系统最终需要在行驶和跳跃时保持稳定。下一次演示安排在圣诞节前，前面的路要比团队成员想象的长得多。

Ascento机器人第一原型 — 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

平衡法案

因为物理学控制着系统的动力学，所以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为数学模型。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^®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，还设计了原型算法，以产生最佳运动。例如，在模拟中，机器人首先感觉到上半身向前倾斜，然后加速下半身追赶，从而避免自己向前倒下。

克莱姆说，一个人会做同样的事情。“如果你站起来，开始向前倒下，你会向前一步，以恢复平衡。”

该团队使用MATLAB和Simulink来调整平衡算法，一旦它们在仿真中表现良好，就将调整后的参数传递给真正的Ascento机器人。接近12月底，学生们在机器人的第二代上安装了更好、更强大的电机和传感器。但每次他们进行测试时，机器人都会倒下。他们会排除机械故障，在Simulink中重新测试控制算法，转换代码，然后将其重新安装到机器人上，然后它就会掉下来。这样持续了几个星期。“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，我们有了昂贵的电机，现在一切都应该比以前容易得多。’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、科伦蒂·普菲斯特和亚历山德罗·莫拉在内的几名学生被迫两班通宵轮班，努力让机器人保持稳定。它就是不平衡。在演示当天，团队展示了他们的状态，并展示了一段机器人疯狂地来回摆动的短视频。团队成员感到失望，但决心坚定。一位朋友问克莱姆是否准备放弃。克莱姆说：“我告诉他，如果到五月份我还没有达到平衡，我就会放弃我的工程学学习。”。

例如，在模拟中，机器人首先感觉到上半身向前倾斜，然后加速下半身追赶，从而避免自己向前倒下。

一小步

2018年春天，机器人团队取得了进展。他们实现了一个大的改变，这将提高他们成功的机会：他们停止使用USB端口向Ascento的电机发送命令，转而使用专门为该任务设计的通信协议。该协议称为控制器局域网，针对电机通信和高速进行了优化。有了它，他们将发送到电机的命令数量从每秒20条增加到每秒400条。模拟没有错；信号到达电机的时间太长。这是众多学习时刻之一。古利奇说：“事后来看，使用USB端口是幼稚的。没有合适的工程师会这样做。”。

但即使有了新的协议，他们也无法让机器人稳定下来。复活节快到了，第三次演示将在两周内完成。古利奇和他的一些队友去度假了。包括克莱姆在内的其他几个人留下来继续研究阿森托。由于无法解决平衡问题，克莱姆和莫拉开始向其他工科学生和教师寻求建议。一位博士生观看了机器人坠落的视频并查看了团队的一些数据，他说他认为倾斜传感器看起来很奇怪。团队成员发现，设置没有进行平衡调整，这缩短了反应时间。他们进行了调整，在20分钟内，机器人稳定了。

克莱姆说：“这真是一个伟大的时刻。这只是一个设置，我们调整了它，它完美地平衡了。我们非常高兴。”。

离最终演示还有三周，他们还必须改进机器人的驾驶能力，使其保持岩石般的平衡，并让机器人跳跃。控制小组开始轮班，只睡了六个小时就返回工作。一些小组成员会花一天时间尽可能取得进展，然后交给下一个小组。他们让机器人跳起来，但着陆时很困难。在一个学生抓住它之前，它几乎会掉下来。

这样持续了好几天。然后有一天晚上，当克莱姆和古利奇睡着的时候，包括维内塞尔和西罗·萨尔兹曼在内的团队成员让机器人跳跃并垂直降落。古利奇醒来时发现手机上有一段视频。团队中的每个人都冲到办公室亲自查看。他们打开了一瓶香槟，这瓶香槟是他们从项目第一周开始就放在冰箱里的。

Ascento团队的五名成员微笑着站在外面，围着机器人。一位成员竖起大拇指。 — 阿森托与现任团队成员，从左至右依次为多米尼克·曼哈特（Dominik Mannhart）、西罗·萨尔兹曼（Ciro Salzmann）、亚历山德罗·莫拉（Alessandro Morra）、莱昂内尔·古利奇（Lionel Gulich）和维克托·克莱姆（Victor Klemm）。图片来源：ETHZ

“（跳跃机器人）是所有想法中最酷的，现在已经两年过去了，我们仍然非常喜欢轮子、腿和跳跃的技术。”

当克莱姆和古利奇回顾自己的经历时，他们都说很高兴自己选择了最难的机器人。古利奇说：“这是所有想法中最酷的一个，现在已经过去两年了，我们仍然非常喜欢轮子、腿和跳跃技术。”。

克莱姆说，如果他们选择了一个更简单的机器人，他们早在两年前就完成了，而且会各行其道。虽然它可以很容易地跳过楼梯的高度，但它需要一个滚动的开始。他们希望加快速度。九名学生中有五名在研究生学习期间留下来继续完善Ascento。他们都将部分大学研究重点放在机器人技术方面，发表了两篇学术论文，并在少数会议和活动上发表了论文。

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，如热像仪、麦克风、激光扫描仪或化学传感器，这些传感器可以根据工业需求进行更换。例如，紧凑型机器人可以检查仓库库存，查找工业区的化学品泄漏，或绘制新的建筑工地地图。它甚至可以在灾区搜索幸存者。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。“有这么多事情要做，这是一个非常有趣的系统，”他说。“我不想结束。”

一个由九名本科生组成的团队为他们的期末项目建造创新的跳跃机器人

小而灵活的“上升”爬楼梯并避开障碍物

站起来

平衡法案

一小步

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