【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)人工智能學(xué)院石青教授團(tuán)隊(duì)在微小型仿生四足機(jī)器人領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，其研究成果以研究長(zhǎng)文(Research Article)形式在線發(fā)表于Science子刊《Science Advances》上，題目為“Unlocking fast robotic locomotor propulsion through dynamic spine-leg synergy”。研究團(tuán)隊(duì)以善于高速奔跑的小型哺乳動(dòng)物象鼩為仿生原型，研制了具有雙關(guān)節(jié)耦合脊柱的微小型四足機(jī)器人FLEXOR(圖1)，揭示了動(dòng)態(tài)脊-腿協(xié)同增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)推進(jìn)力與能量效率的內(nèi)在機(jī)制，為高機(jī)動(dòng)具身智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制提供了新思路。該工作以北京理工大學(xué)為第一完成單位，聯(lián)合南京大學(xué)邴振山副教授共同完成。第一作者是博士后王若超，通訊作者為石青教授及長(zhǎng)三角研究院(嘉興)于志強(qiáng)副研究員。

 

　　仿生雙關(guān)節(jié)耦合脊柱實(shí)現(xiàn)高效力傳遞
 

　　為了理解高速奔跑背后的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)首先將目光投向自然界的生物。對(duì)于小型四足哺乳動(dòng)物而言，有限的體型和驅(qū)動(dòng)能力，使其難以單純依靠腿部實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。而象鼩在奔跑過(guò)程中表現(xiàn)出的明顯脊柱屈伸運(yùn)動(dòng)，為研究機(jī)器人如何利用身體結(jié)構(gòu)提升運(yùn)動(dòng)性能提供了重要啟發(fā)。與大型高速動(dòng)物相比，象鼩體型更小，卻能夠依靠靈活的脊柱和高度適應(yīng)奔跑的后肢結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)。這種小尺度、高機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，與當(dāng)前微小型四足機(jī)器人面臨的問(wèn)題高度相似。研究團(tuán)隊(duì)從象鼩奔跑過(guò)程中的脊柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā)，提取決定姿態(tài)變化的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，并將生物脊柱等效為雙關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研制了面向高速奔跑的柔性脊柱四足機(jī)器人FLEXOR。雙關(guān)節(jié)耦合脊柱能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)器單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為快速、周期性的脊柱屈伸運(yùn)動(dòng)(圖2)。與傳統(tǒng)單關(guān)節(jié)脊柱相比，該結(jié)構(gòu)不僅減少了復(fù)雜的往復(fù)控制，還能夠通過(guò)閉鏈多連桿結(jié)構(gòu)放大驅(qū)動(dòng)力矩，將更大的推進(jìn)力傳遞至后腿。
 

　　揭示動(dòng)態(tài)脊-腿協(xié)同的最優(yōu)推進(jìn)機(jī)制
 

　　研究團(tuán)隊(duì)建立多參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型，將后腿后擺相對(duì)于脊柱伸展的相位差作為描述脊-腿協(xié)同關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)后腿后擺接近脊柱伸展時(shí)，機(jī)器人能夠獲得最優(yōu)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。在這一協(xié)同狀態(tài)下，脊柱和后腿產(chǎn)生的作用力能夠在恰當(dāng)時(shí)刻共同傳遞至地面，不僅增大地面反作用力的前向分量，還使其作用線更接近機(jī)器人質(zhì)心，從而減小繞質(zhì)心產(chǎn)生的俯仰力矩，抑制機(jī)身姿態(tài)波動(dòng)。同時(shí)，最優(yōu)協(xié)同能夠延長(zhǎng)騰空相、縮短支撐相，減少觸地過(guò)程中的能量損耗，實(shí)現(xiàn)速度、穩(wěn)定性與能量效率的同步提升。
 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)LEXOR的平均運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到0.784米/秒，相當(dāng)于每秒運(yùn)動(dòng)7個(gè)體長(zhǎng)以上(圖3)。與質(zhì)量、整體尺寸和最大驅(qū)動(dòng)功率相同的單關(guān)節(jié)脊柱機(jī)器人相比，雙關(guān)節(jié)耦合脊柱使機(jī)器人平均速度提高31.6%，運(yùn)輸成本降低32.2%，后腿產(chǎn)生的峰值地面反作用力由2.82牛提升至5.19牛。結(jié)果表明，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的提升并非依賴簡(jiǎn)單增加驅(qū)動(dòng)功率，而是來(lái)源于脊-腿運(yùn)動(dòng)時(shí)序、力傳遞方向與本體結(jié)構(gòu)之間的高效協(xié)同。
 

　　建立適用于不同形態(tài)與尺度的擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)框架
 

　　為驗(yàn)證脊-腿協(xié)同規(guī)律的通用性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了適用于不同脊柱結(jié)構(gòu)和腿部構(gòu)型的擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)框架，系統(tǒng)分析身體尺度、關(guān)節(jié)軌跡、脊柱彎曲幅度和驅(qū)動(dòng)力矩等因素對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明，雖然不同機(jī)器人系統(tǒng)的絕對(duì)速度會(huì)隨形態(tài)與尺度變化，但最優(yōu)協(xié)同狀態(tài)始終集中在脊柱伸展與后腿后擺接近同步的區(qū)域。這表明動(dòng)態(tài)脊-腿協(xié)同并非FLEXOR特定結(jié)構(gòu)下的偶然現(xiàn)象，而可能是不同形態(tài)和尺度四足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)共同遵循的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。
 

　　該研究將動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中的物理智能轉(zhuǎn)化為可設(shè)計(jì)、可計(jì)算和可驗(yàn)證的機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制規(guī)律，使機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)與力學(xué)計(jì)算功能，為具身智能機(jī)器人突破單純依賴高功率驅(qū)動(dòng)和復(fù)雜控制算法的技術(shù)路徑提供了新視角。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探索頭部、尾部及全身多關(guān)節(jié)之間的協(xié)同機(jī)制，構(gòu)建更加完整的高速運(yùn)動(dòng)推進(jìn)模型，推動(dòng)微小型仿生機(jī)器人和高機(jī)動(dòng)具身智能系統(tǒng)發(fā)展。
 

　　上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省尖兵領(lǐng)雁等項(xiàng)目的支持。
 

　　引用：北理工團(tuán)隊(duì)在動(dòng)態(tài)脊-腿協(xié)同增強(qiáng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)推進(jìn)機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展【引用時(shí)間：2026年9月29日】