苏黎世理工研发四足登月机器人,探索低重力环境下的“动态行走”

SpaceBok是由瑞士苏黎世联邦理工学院和苏黎世应用科技大学的学生团队研制的四足机器人，设计用于在月球或者小行星等低重力体上行走，目前SpaceBok正在欧洲宇航局的ESTEC技术中心进行测试。

月球上的宇航员通过双脚跳跃的方式进行移动，而不是采用双脚交替行走的方式，因为在低重力环境下，跳跃是一种非常有效的移动方式。SpaceBok机器人的设计灵感就来源于此，为了探索四足机器人在低重力环境下的“动态行走”。

所谓“动态行走”就是行走步态中存在四足全都不着地的腾空期，“动态行走”具有优秀的能效，在动物界中较为常见。Spacebok机器人则是仿生了跳羚实现快速移动的跳跃步态。Spacebok的名称也来自太空（Space）和跳羚（Springbok）两个单词的结合。

SpaceBok的招牌太空步是连续的跳跃移动，非常具有节奏感。连续跳跃的高度比单次垂直跳跃的高度低的原因是连续跳跃需要考虑机器人下落时的缓冲，而单次跳跃没有考虑。

模拟太空环境的测试

月球上的重力加速度是地球上的1/6，所以在地球上连续跳跃高度看似一般的SpaceBok在月球上每次跳跃的高度可能会达到2米。当它离开地面时，四足机器人需要稳定自身再次安全降落在地面上，此时SpaceBok表现得像一个迷你宇宙飞船。

为了验证SpaceBok机器人在月球上的平衡稳定控制算法和跳跃性能，欧洲宇航局的技术中心搭建了模拟月球重力加速度的实验装置。

SpaceBok机器人从侧面固定在了一根与水平面成一定夹角的斜向导轨上，导轨的最低端固定了一块与斜向导轨垂直的木板用于模拟月球的地面。机器人从导轨高侧向低侧滑下来的加速度就是重力加速度沿斜向导轨方向上的分量，因此只要斜向导轨与水平面的夹角合适就能保证机器人沿导轨下滑的加速度是重力加速度的1/6，从而实现了月球环境的模拟。

虽然目前SpaceBok机器人在模拟的月球环境中的跳跃高度只有1.3米，还没有达到预期的2米，但是它能很好的利用躯干位置处的反作用轮实现空中和着地时刻的姿态控制。

为了进一步模拟小行星非常低的重力环境，SpaceBok机器人侧身安装在了一个自由浮动平台上，保证了它在除侧身方向外的另外两个方向上没有重力加速度。

当SpaceBok机器人从一侧墙壁往另一侧墙壁运动时，它的反作用轮能够控制它准确的旋转躯干以保证足端而不是躯干与另一侧墙壁发生碰撞，从而让它再次落到另一侧墙壁，如此周而复始的运动模拟了低重力环境下单个表面的连续跳跃。

目前SpaceBok机器人在欧洲宇航局的测试进展顺利，后续将在包括障碍物、丘陵地形和真实土壤的环境中测试以及户外测试。

紧凑而轻量化的设计

SpaceBok是为太空探索而设计的四足机器人，所以在结构设计方面更加的紧凑和轻量化，以减小发射成本，它在结构方面具有以下几个特点：

使用高功率密度的力矩电机作为关节驱动单元，不仅可以减小驱动单元的重量，同时大力矩低减速比的驱动配置非常有利于关节的力矩控制；

采用一体化弹簧可以有效地缓解四足机器人着地时各足端的冲击力实现安全降落，同时进行储能，使机器人的下一次跳跃更高，从而减低关节的驱动功耗，提高了SpaceBok的续航能力，这个优势在外太空也是非常重要的；

大量使用碳纤维结构，实现机器人本体的轻量化设计，同时也保证了四足机器人的强度；

可完全折叠的腿部结构设计，可以有效地减小运输空间；

借鉴传统卫星的姿态控制装置，研究人员在四足机器人的躯干位置安装了反作用轮，通过它的加速和减速控制Spacebok的平衡。

看似矮小的SpaceBok四足机器人在地球上的垂直起跳高度就达到了1米，超出了大部分人类的弹跳力。

作为一名四足机器人，SpaceBok当然可以实现对角小跑的步态。