Cubli——自平衡站立，且能跑跑跳跳立方体

最新消息：下面视频是最终版本的机器人。苏黎世联邦理工学院动态系统控制学院的同事们制作了一个小型立方体机器人，能自主跳跃，而且能以任何一角平衡站立。

这个最新版本的Cubli能够跳跃、平衡站立，甚至“走动”。新版本的Cubli能自主供电，用稍加改装的自行车刹车代替上一个版本的金属框架。现在，我们正改进学习算法，使得Cubli能够自主学习并在一次跳跃失败使调整所需的参数，而该失败往往是由于制动装置老化、转动惯量、重量或表面倾斜度变化所致。

这个机器人源于一个简单理念：

用市场现有的电机、电池和电气元件能否制作一个变长15厘米的立方体，使它能跳跃、以一个角平衡站立，并能走过桌面呢？

有数种方法能保持立方体自身平衡，但说到跳跃的话，则需要一次能量瞬放。直观来讲，动量轮似乎是储存能量的好工具，而且能不影响立方体本身的紧凑性。

再者，同样的动量轮能完成基于反应扭矩的控制算法要求，在动量轮加速或减速时利用立方体结构上反应扭矩本身来平衡自己。

那，能成么？

首先第一步是制作机器人。因此，查阅相关物理知识，看能否用动量轮完成跳跃动作。下图显示动量轮和整个立方体瞬时转动惯量的计算方程。

这个数学分析帮助我们定量上理解系统运作，指导了设计上的选择，例如权衡使用三个动量轮还是在六个面内部都装上一个动量轮。

另一个结果是确定立方体跳跃和平衡站立时所需的动量轮速度。两者都是下一步的重要关键：确定所需硬件规格。

硬件尺寸规格设计

从以上算出的速度和力矩，就能知道制作机器人的主要难关在于动量轮电机和齿轮箱。用数学模型能够系统处理这个问题，主要是对速度和转矩进行动力平衡分配运算。例如跳跃时需要多一些能量，就需要分配多些动力在动量轮上；而平衡站立时则需要稳定性，就需要分配在转矩上。

这个用数学理论计算驱动的硬件设计，最终就成为机器人核心硬件部件（动量轮、电机、齿轮箱和电池），以CAD方式展现出来。

其中一部分功能就如图所示，动量轮突然停止，将能量传递到整个立方体，使其跳跃。

左面图片显示早期设计中的制动器，包括一枚动量轮上的螺丝、一台移动金属片（蓝色部分）用的伺服电机（黑色部分），将之移动动刀螺丝的路径上（亮棕色），还有一个安装支架（亮棕色）用于传递动量轮的能量到立方体结构上。现在的设计用了坚固金属及缓冲橡胶组合的结构。

我们来看看更多的精彩图片：

原文链接 原作：Gajan Mohanarajah, Markus Waibel