北理工的仿生電子鼠會做災后搜救了：載重物爬窄管不在話下，跌倒還能自己站起

狹窄，多彎道的空間難以探測。

一只來自北理工的機器小鼠 SQuRo 對此給出否定答案。

它不僅能在狹小空間內靈活穿行，輕松完成各種運動并進行變換，如蹲下起立，行走，爬行等，簡直是應對突發災情或狹窄管道的神器:

還能在不足自己身長一半的小半徑內快速轉身，咬住自己的尾巴 360° 轉圈:

甚至還很堅強，可以在跌倒后迅速站起來。

最關鍵的是，這只小鼠還很能載重 —— 目前它已經能成功地帶著一個占自重 91%的重物，通過有 20° 傾角的場地。

大型四足機器人運輸能力強，但不能進入狹窄的空間，微型四足機器人雖然可以進入狹窄空間，但其攜帶重物的能力有限。

這項來自北理工的研究成果，目前已經發表在 IEEE 旗下期刊上。

見識到這只機器小鼠出色的敏捷性和載荷能力后，再來深入了解一下吧！

靈感來自不懼狹窄彎道的老鼠

此前，鮮有人給體重小于 1 公斤的小型四足機器人設計能規劃運動的多模態控制框架。

多模態控制是指隨系統運行狀態而不斷變化策略的控制方式，可以實時選用最合適的控制算法，并選擇恰當時機進行切換，使系統更加穩定，準確，反應迅速。

由于規模限制，小型機器人的硬件組件很少，這導致了其低感知和處理能力較弱。

另外，現有的機器人研究主要集中于動態穩定性和機械約束，而忽略了與某種機器人相似生物的運動特征。

研究人員發現，老鼠在各種狹窄復雜的環境中運動十分敏捷，于是他們準備從生物角度出發，在老鼠身上取取經。

首先，用 X 光片記錄下老鼠運動中的骨骼結構以提取關鍵運動關節，然后建立了四足機器小鼠的基本模型。

機器小鼠 SQuRo 的質量為 220 克，和八周大的黑毛鼠體重的相似，它的體長也和真老鼠差不多。

北理工團隊還賦予了這只機器小鼠多模態運動規劃和控制框架，使其能夠感知和處理復雜的現實環境。

根據老鼠運動的 3 大能力設計基本結構

研究團隊據 X 光片分析發現，老鼠主要靠這三個主要功能，來組合做出各種運動:

• 肢體運動

• 脊柱屈伸和側向彎曲

• 頸椎運動

于是，研究人員為機器老鼠配置了 12 個活動自由度，以及 4 個被動自由度，以模仿關節的屈伸和轉動。

自由度是獨立變量的個數具體而言，若總變量個數為 N，約束條件個數為 M，則自由度 F=N—M

機器小鼠的四肢結構設計示意圖如下:

圖 a，b 分別為左前肢的機構運動簡圖和骨架模型結構，c 為左后肢的骨架模型側視圖

相比前肢，后肢的底部為一個更彎曲的桿，以提供更大的前推力 —— 這與老鼠主要依靠后肢產生推力的現象一致。

研究者分析老鼠行為發現，它的轉身運動是從頭部到軀干，再到臀部，逐步發力的。

受益于靈活的脊柱，老鼠可以迅速變換方向。

小鼠的頸椎由好幾節構成，其中第一節頸椎的旋轉角反映了頭部和軀干之間的角度。

下面的關節旋轉角度圖中，有三個峰值，對應三個最明顯的運動，即:頸椎屈伸，

前肢第二胸椎的屈伸運動，和第十三胸椎的后肢屈伸運動。

因此，研究者為脊柱配備了三個關于屈伸的主動自由度，用于機器小鼠的正面轉彎運動。

由于頸部旋轉在老鼠的日常活動中很少見，所以真老鼠的頸部活動對設計探測機器人來說，意義不大。

研究者配置了一個用于頸部屈伸的主動自由度，和一個用于頸部內收的主動自由度，這兩個自由度都位于頭部和軀干的連接處。

機器小鼠共有 33 個脊椎關節，研究者將后肢屈伸的關節設置于第 22 個關節處，這與老鼠的對應的關節位置相似。

研究團隊介紹

這項研究來自北京理工大學。

論文一作石青，現任北京理工大學教授，機電工程學院智能機器人研究所副所長，本科和博士均畢業于北理工，并于早稻田大學進行博士后工作，主要研究方向是仿生機器人，生機電融合。

這篇論文由石青導師黃強，中科院外籍院士福田敏男，以及石青帶領的仿生機器人團隊共同完成。

團隊研究的仿生鼠，曾被昆士蘭大學計算機教授 Janet Wiles 評價稱達到業界 SOTA 水平。

團隊表示，未來還將通過閉環控制和深入動態分析等方法，來進一步提高機器小鼠的敏捷性，并且有興趣將其商業化。

你覺得這只機器小鼠還能被用在哪些地方呢。

論文地址