新型模組化機器人：以繫繩跳躍探索行星的嶄新途徑

近年來，科技的飛速進步為機器人系統的發展開闢了全新的可能性，其中包括用於探索其他行星的太空船。這些新系統最終可能有助於我們深入瞭解銀河系，以及其中眾多天體的獨特特性。

加州大學洛杉磯分校（UCLA）的機器人和機構實驗室（RoMeLa）的研究人員設計了SPLITTER（太空和行星有肢智慧繫繩技術探索機器人），這是一個用於行星探索的多機器人系統，由兩個重量低於10公斤的四足機器人透過繫繩連線而成。他們提出的這個系統即將在2025年的IEEE航空航天會議（AeroConf）上展示，它能夠在月球或小行星表面跳躍，同時收集周圍環境的資料。該研究成果也已釋出在arXiv預印本伺服器上。

論文第一作者田中佑介向Tech Xplore表示：「這項研究的靈感源自於在月球或小行星等低重力環境中，機器人移動和姿態控制（三維定向控制）所面臨的挑戰。傳統的探測車體積龐大、重量沉且速度緩慢，限制了行星探索的範圍和效率。像無人機這樣的空中解決方案雖然能觀察到比探測車更大的表面區域，但由於月球或小行星上缺乏大氣層，它們並不實用。我們的研究探索了一種替代方案，即利用動態的連續跳躍步態，結合慣性變形來實現飛行中的穩定性。」

此前，RoMeLa的研究團隊曾推出一款名為SCALER（脊柱增強攀爬自主有腿探索機器人）的有肢攀爬機器人，專門用於行星探索。然而，在測試過程中，他們發現該機器人在行走和攀爬表面時速度都很慢。因此，他們著手探索在不大幅改變其整體結構的前提下，提高其效率的方法。

田中佑介指出：「本文的主要目標是透過調整肢體配置和繫繩長度來改變慣性，從而實現慣性變形的姿態控制，使SPLITTER機器人成為一種高效且可擴充套件的行星探索解決方案。我們的方法是首批（如果不是第一個的話）透過模型預測控制器（MPC）實現慣性變形姿態控制的方法之一。」

在新的研究中，田中佑介及其同事引入了一種基於MPC的慣性變形機制。該機制能夠在機器人飛行時調節其方向，提高其穩定性。田中佑介解釋道：「慣性變形機制利用了網球拍定理（詹尼別科夫效應），該定理描述了具有不對稱慣性的物體在繞其中間軸旋轉時會發生自發翻轉的現象。我們基於慣性變形的姿態控制器利用這一原理，以可控的方式實現了空中飛行的積極穩定。」

研究人員的論文詳細介紹了名為SPLITTER的新型機器人系統的設計，包括其執行所需的執行器規格。該機器人本質上由兩個稱為Hemi - SPLITTER的小型四足機器人透過繫繩連線而成，形成一個類似啞鈴的結構。田中佑介表示：「機器人的肢體足夠強壯，能夠在低重力環境下跳躍，但在飛行過程中需要穩定的控制。SPLITTER並不依賴沉重的反作用輪或氣體推力來進行姿態控制，而是透過調整繫繩長度和肢體位置來動態改變其慣性。」

與許多先前提出的用於行星探索的機器人相比，該研究團隊設計的新系統具有多種優勢。其關鍵優勢之一是質量效率高，無需專門的姿態控制硬體，如氣體推進器、反作用輪或機翼，同時還增強了靈活性。田中佑介還提到：「繫繩機制對行星探索也很有用。例如，一個Hemi - SPLITTER可以進入隕石坑或洞穴，而另一側則固定以提供支撐。我們成功的跳躍移動方式非常有效，因為它可以將跳躍能量儲存在旋轉中，這意味著每次跳躍都能不斷加速。」

SPLITTER機器人的設計及其移動機制特別適用於低重力環境的探索。在這些環境中，傳統的輪式機器人效率低下，而空中機器人也並非總是易於部署。田中佑介稱：「我們的研究結果表明，在模擬中，SPLITTER可以透過基於MPC的慣性變形技術控制機器人在空中的姿態。我們使用MPC證明瞭該系統可以調節其角速度/方向，並在無需外力或動量輪的情況下保持穩定。」

研究人員設想將他們的機器人系統以機器人群的形式部署，這樣可以高效地穿越和探索廣闊且無序的環境。他們開發的基於MPC的慣性變形機制也有可能應用於其他機器人、衛星和太空船，以提高它們在太空中的穩定性。田中佑介補充道：「我們未來的研究將集中在對SPLITTER進行高保真度模擬實驗，以進一步驗證慣性變形MPC，在這種模擬中可以進行更精確的物理模擬和機器人運動分析。這篇論文是SPLITTER專案的一部分，是我們研發SPLITTER硬體所需技術的基礎性工作。」

目前，加州大學洛杉磯分校的RoMeLa團隊正在進一步改進他們機器人的硬體。例如，他們正在專注於為SPLITTER開發新的執行器和感測機制，以擴充套件其功能。該專案的負責人兼RoMeLa主任丹尼斯·洪博士告訴Tech Xplore：「我們實驗室的專長在於有腿機器人，主要用於地球上的地面移動。從我們數十年研發這些系統的經驗中，我們現在將其應用於太空領域，這又帶來了一系列全新的挑戰。面對新挑戰，我們創造新的解決方案和知識，這讓這份工作更有意義和有趣。」