狹窄、多彎道的空間難以探測？一隻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，輕鬆完成各種運動並進行變換，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（半徑比其他機器人小得多）：

甚至還很堅強，可以在跌倒後迅速站起來。

最關鍵的是，這隻小鼠還很能載重—— 目前它已經能成功地帶著一個佔自重91%（200 克）的重物，通過有20° 傾角的場地。

（想像一下你背著和自己差不多重的一個包爬坡上坎的感覺……）

研究成果論文的第一作者，北理工石青教授表示，目前市面上有不少足式機器人，但大多不擅長應對狹窄空間：

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。

見識到這隻機器小鼠出色的敏捷性和載荷能力後，再來深入了解一下吧！

靈感來自不懼狹窄彎道的老鼠

此前，鮮有人給體重小於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，並選擇恰當時機進行切換，使系統更加穩定、準確、反應迅速。

由於規模限制，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於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徵。

研究人員發現，老鼠在各種狹窄複雜的環境中運動十分敏捷，於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，然後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隻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複雜的現實環境。

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

於是，研究人員為機器老鼠配置了12 個活動自由度（四肢各有2 個自由度，腰部2 個屈伸自由度，頸部2 個自由度），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=NM。

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 為左後肢的骨架模型側視圖

相比前肢，後肢的底部為一個更彎曲的桿，以提供更大的前推力—— 這與老鼠主要依靠後肢產生推力的現像一致。

研究者分析老鼠行為發現，它的轉身運動是從頭部到軀幹，再到臀部，逐步發力的。

受益於靈活的脊柱，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乾之間的角度。

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，和第十三胸椎的後肢屈伸運動。

因此，研究者為脊柱配備了三個關於屈伸的主動自由度，用於機器小鼠的正面轉彎運動。

由於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於頸部屈伸的主動自由度，和一個用於頸部內收的主動自由度，這兩個自由度都位於頭部和軀幹的連接處。

機器小鼠共有33 個脊椎關節，研究者將後肢屈伸的關節設置於第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，本科和博士均畢業於北理工，並於早稻田大學進行博士後工作，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，並且有興趣將其商業化。

你覺得這隻機器小鼠還能被用在哪些地方呢？

論文地址

https://ieeexplore.ieee.org/document/9751239

來源：量子位