彈跳機器人SALTO

加州大學柏克萊分校研發了一款彈跳機器人，其垂直跳躍的高度比大多數普通人都高，並且還可以利用牆壁跳躍，彈離牆面落到另一個平台上。SALTO這個名字再合適不過了，因為這個詞表示可翻越障礙地形的騰空運動。在拉丁語中，SALTO的意思也是“跳躍”。

參觀了位於加州Menlo Park的FEMA城市搜索和救援訓練站之後，加州大學柏克萊分校機器人工學博士生Duncan Haldane與其團隊構建了這種專為搜索和救援設計的機器人。SALTO小巧而輕便，在地震、火災等大規模災害中的毀損建築物內，該機器人對於如何在廢墟瓦礫中尋找生命跡象將可做出貢獻。

在機器人研發的過程中，該團隊公佈了一項研究報告，其目的是針對具有機械利益演化的自動連鎖彈性驅動器進行評估，來增加機器人垂直跳躍敏捷性的可行性。該研究結果顯示，機械利益（MA）適應（其定義為腳部反作用力與驅動器施加力之間的比例）可以增加串聯彈性肌腱複合體傳遞的能量。SALTO採用了一種具有MA適應（SE+MA）的自動連鎖彈性驅動器，事實證明，該結構能夠有效積蓄能量並傳輸更大的力量，實現更高的跳躍，從而提高垂直跳躍敏捷度。

設計靈感

Haldane研發SALTO模型的靈感來自於動物世界。經過物競天擇的演化，動物們發展出許多能逃離捕食者的特殊能力。其中，引起Haldane注意的是嬰猴，這種夜間靈長目動物能夠在4秒鐘內連續跳躍5次之多。跳躍之前，它們首先會下蹲。嬰猴的最大垂直跳躍速度為2.2米/秒，而SALTO的速度為1.75米/秒，這打破了之前的機器人敏捷性紀錄（1.12米/秒）。

嬰猴的蹲伏行為有助於將能量儲存在肌腱中，從而展現出更好的跳躍效果。他們蹲下的時間越長，積蓄的能量就越多。將勢能轉化為動能的這種機制被稱為力量調整(power modulation)。這是自然界中的一種適者生存的演進現象，在生物力學文獻中也被稱為力量放大(power amplification)。

從針對動物和機器人系統研究中建構出全新的跳躍距離計算，SALTO展現了前所未有的敏捷性。Haldane及其團隊將垂直跳躍敏捷性描述為“是單一系統在地球重力下可達成的單次跳躍高度，再乘以跳躍頻率”。某些垂直運動像是比如攀爬或上下擺動，可以用以下公式表示：

垂直跳躍敏捷性（米/秒）= h/（tstance + tapogee），

其中h=跳躍高度；tstance=跳躍開始後的總站立時間；tapogee=跳躍者離開地面後一直到達跳躍最高點（垂直速度為零）的滯空時間。

由於考慮了重力因素，垂直跳躍敏捷性受限於力量重量比，只表示“動物能夠改變多少能量狀態以及變化速度”，不考慮方向的改變或轉向行為。

圖2.在4秒鐘內進行的一系列重複垂直跳躍（從左到右）：平行彈性（EPFL跳躍者）、剛性跳躍（Minitaur機器人）、連鎖彈性力量調整（SALTO）和嬰

機器人物理原型

Haldane利用驅動彈簧的馬達將該機構匯集到機器人中，通過腿部結構載入能量，以形成嬰猴的那種蹲伏姿勢。通過這種方式，SALTO能夠達到比單次跳躍更高的高度。

圖3.組裝好的嬰猴機器人，Salto / ©Haldane等，2016

該機器人由ImageProc PCB、一個六軸慣性測量單元（https://github.com/biomimetics/imageproc_pcb；韌體：https://github.com/dhaldane/roach）、二個位置感測器（ams AS5047P & AS5048B）、無刷馬達（Scorpion S-1804-1650KV）、無刷直流馬達驅動器（Advanced Motion Controls AZB10A4）組成，並由一塊3 cell 11.1V 180 mAh鋰離子聚合物電池來供電。腿部連結由碳纖維複合材料製成，比如蜂巢芯碳纖維和FR4玻璃纖維。旋轉關節通過2024精密鋁合金接地棒（McMaster-Carr 9062K24）與聚合物襯套（igus Inc JFM-0304-05）連接，而襯套和軸透過模製聚氨酯零組件（Innovative Polymers IE-3075）與碳纖維結構整合在一起。

圖4.無需電子控制裝置的接合機構圖 / ©Haldane等，2016

SALTO是款單腿機器人，由一個進行力量調整的聯動裝置、一個連鎖彈性驅動器以及一個進行姿勢控制的慣性尾部所組成。其重量僅為100克（3.5盎司），完全伸展時身高為26公分（10.2英寸），垂直跳躍敏捷性能夠達到嬰猴的78%。雖然有些機器人單次跳躍高度高於SALTO，但是SALTO仍是垂直方向上最敏捷的機器人。

控制板以1000 Hz的頻率測量機器人的身體角度、腿部位置和馬達位置，並可以透過機上ZigBee用筆記型電腦加以控制。系統採用兩路獨立的線性反饋電路：“針對馬達位置的比例控制器和針對身體角度的比例微分控制器”。身體角度透過一個單軸陀螺儀進行估算。也建置了擔任狀態機角色、用於彈離牆面的控制器。控制器啟動時，將俯仰設定值設為機器人向前朝向牆面的角度。當俯仰角達到一定閾值時，機器人會觸發腿部進行伸展，形成跳躍。在空中，機器人將其腿部縮回，俯仰設定點則設定成機器人接觸牆面的角度。

測量/實驗

該團隊進行了多次實驗，以確定機器人可以實現的最大高度增量和垂直跳躍敏捷性，比如運動時的牆面彈跳。對於垂直跳躍測試，他們將機器人放置在地板上，質量中心位於腳部正上方，然後利用步階輸入來驅動跳躍連桿直到完全伸展。為了防止受控落地，這些試驗並沒有啟動機器人的尾部。

然後，他們進行了牆壁彈跳試驗，機器人從地面跳到牆上，然後再從牆面上彈離，整個過程中都使用尾部進行定位。

實驗牆面是一塊0.25英寸厚的壓克力板，並安裝於成型鋁框架上。為了增加摩擦力，他們在地板上方0.88米處增加了一塊直徑為0.175米、0.25英寸厚的聚氨酯橡膠，作為機器人的墊腳處。

這種來自於生物學靈感的結構將會在更多人身上產生啟發。此外，該團隊希望繼續探索新的行為，比如人類的跑酷行為。跑酷也被稱為自由跑跳，跑酷者利用各種運動姿勢來跨越各種障礙物，比如牆壁、樓梯或建築物之間的空隙。該團隊希望能夠建構一系列連續跳躍的延伸行為，以達到人們之前無法觸及的運動極限。