这场辩论已经进行了两个多星期。那是2017年夏末，9名工科本科生在瑞士联邦理工学院Zürich (ETH Zürich)合作完成了他们的最后一个项目。他们同意用这一学年的时间来制造一个能在平面上快速移动并能爬楼梯的机器人。但是他们在设计上意见不一致。有几个想法排名靠前，包括一个带踏板的坦克机器人和两个带有风车轮子的机器人变种，它可以用风车轮子推动和拉自己上一段楼梯。有了这些，学生们看到了更好的机会设计、建造和操作一个可工作的机器人。但每种设备都有其缺点，比如体积太大、速度太慢或与其他研究人员已经制造的机器人过于相似。
最具创新的想法，一个带有轮子而不是脚的双腿跳跃机器人，不是最喜欢的。每个人都可以看到设计和编程这样的机器是多么困难。他们必须克服许多工程和软件挑战，以便在滚动时平衡它，更不用说跳跃。它似乎是不可能的。“我反对一个跳跃机器人，”机械工程学生团队成员克莱姆斯队成员克莱姆说。“在只有两个轮子上执行跳跃并重新获得稳定性，机器人必须非常敏捷，并且具有前沿运动控制技术。”
突然，团队成员弗洛里安·韦伯(Florian Weber)说话了。机械工程专业的学生莱昂内尔·古利奇回忆说:“他说，‘伙计们，让我们试试跳这个吧，因为尽管这可能是最难的，但却是最酷的，这可能是我们生命中最后一次有选择的机会了。’”韦伯逐渐说服了一个又一个学生，直到每个人都同意了。
这个决定最终产生了Ascento它是一个两足机器人，重23磅，能在平地上以每小时5英里的速度滚动，垂直跳跃14英寸而不会摔倒。它可以跳过障碍，慢慢地跳上一段楼梯。车载摄像头和传感器可以创建周围环境的3D地图，并与视觉和路径规划算法相结合，使机器人能够自主驾驶。
“在只有两个轮子上执行跳跃并重新获得稳定性，机器人必须非常敏捷，并且具有前沿运动控制技术。”
维克多·克莱姆，ETH Zürich机械工程专业的学生
领先一步
到了9月份开学的时候，这9名工科学生根据自己的兴趣分成了4个小组:电子、软件控制、建筑与设计、感知与计算机视觉。他们有五周的时间构建一个原型，并在三次中间演示的第一次展示他们的进展。利用ETHZ现有的办公空间，他们开始每天开会，勾画出能够爬楼梯的机器人的构想。他们用MATLAB提出了20个概念®为了评估基本运动，将它们煮到四个似乎最有可能的选项。从那里，他们从纸板和乐高建立了原油物理模型®块并创建3D计算机辅助设计图。ascento-a在这些早期的姓名，通过感知和计算机愿景团队成员NicolaKüng--开始走到一起。
几周后，学生们就有了坚实的设计，并能够3d打印出他们的第一个机器人身体原型。
Ascento团队使用乐高积木和定制的3d打印和激光切割组件来测试各种车轮和机器人设计。图片来源:ETHZ
在这些概念阶段，很明显，如果他们想要一个轻量级的，耐用的机器人，他们需要保持最小的机载电机和电子设备。学生们使用MATLAB中的一种优化工具，将注意力集中在一种不同寻常的腿部设计上，这种设计使每个髋关节只有一个腿部马达成为可能。它的设计是这样的:每条腿有一根小腿骨(在膝盖和车轮之间)，但有两根股骨。其中一个股骨连接一个机动髋关节和一个有弹性的膝关节来控制跳跃。另一根股骨与第一根平行，连接一个大头针关节和另一个膝关节，以在机器人驾驶时稳定它。两块股骨的形状和它们与小腿骨的连接类似于一个平行四边形。在几周的时间里，学生们手里就有了一个坚实的设计，在建筑和设计小组成员多米尼克·曼哈特(Dominik Mannhart)的大力帮助下，他们能够3d打印出机器人身体的第一个原型。
当时是10月，第一个中期报告的截止日期迫在眉睫。Gulich和他的队友Marcus Vierneisel和Klemm都是软件控制团队的成员，他们觉得有必要让机器人在轮子上保持平衡。他们从大学各处搜罗了车轮马达、传感器和其他电子部件，把它们加到Ascento上，并拼凑了一个控制系统，使机器人在缓慢前进和后退时保持稳定。这是一项重大成就。在短短五周内，他们从20个不同的机器人草图变成了一个能够在轮子上保持平衡而不会翻倒的工作模型。
“这给人留下了很酷的印象，”Klemm说。该团队很欣喜若狂。“但它也被证明是一个陷阱，”他说。黑客平衡系统不足以适应更快，更强大的电机，电脑控制系统最终需要保持稳定，因为它开车并跳起来。下次演示是在圣诞节之前的安排，前提的道路比实现的团队成员更长。
该团队使用3D打印机创造了阿森托机器人的第一个原型。图片来源:ETHZ
平衡
因为物理治理系统的动态，所以获得机器人正常工作是一个数学问题。Klemm是任务的，将物理系统转换为数学模型。为此，他使用了各种结构元素的质量，移动部件的惯性和其他信息来派生在MATLAB中的方程，所以描述了理论上是如何移动的理想机器人。接下来，他将那些方程插入Simulink金宝app®来建立一个计算机模拟。在那里，他不仅进行了测试，让他更好地了解了机器人的能力，还设计了原型算法，以产生最佳运动。例如，在模拟实验中，机器人通过首先感知上半身向前倾，然后加速下半身跟上来防止自己向前倾。
克莱姆说，一个人也会做同样的事情。“如果你站着，开始向前跌倒，你就会向前一步，重新获得平衡。”
该团队使用MATLAB和Simulink来调整平衡金宝app算法，一旦它们在仿真中运行良好，将调谐参数转移到真实的Ascento机器人。在12月底临近，学生们拥有更好，更强大的电机和传感器，安装在机器人的第二次迭代。但每次他们都跑了一个测试时，机器人都会翻倒。它们会对机械进行故障排除，重新测试Simulink中的控制算法，转换代码，并在机器人上重新安装，它会掉下来。金宝app这几个星期了。“我们非常震惊。我们想，'是的，我们得到了新的硬件，电池，传感器，我们有一台电脑，我们得到了昂贵的电机，现在一切都应该比以前更容易。“但是，这不是，”klemm说。“
在第二次演示的截止日期前几天，包括克莱姆、古利奇、科伦廷·菲斯特(Corentin Pfister)和亚历山德罗·莫拉(Alessandro Morra)在内的几名学生上了两个通宵班，努力让机器人稳定下来。它就是不平衡。在演示当天，团队展示了他们的状态，并播放了一段机器人疯狂地来回摆动的短视频。队员们很失望，但很坚定。一个朋友问克莱姆是否准备放弃。克莱姆说:“我告诉他，如果我不能在5月份之前达到平衡，我就放弃工程专业。”
例如，在模拟实验中，机器人通过首先感知上半身向前倾，然后加速下半身跟上来防止自己向前倾。
一个小跳
2018年春天，机器人团队正在取得进展。他们已经实施了一个大变化，可以提高成功机会：他们使用USB端口停止，用于将命令发送到Ascento的电机并切换到专为任务专门设计的通信协议。称为控制器区域网络的协议是针对电动机通信和高速进行了优化的。有了它，他们增加了从每秒20％到400的电机的命令数量。模拟没有错;信号花费太长，无法进入电机。这是众多学习时刻之一。“在后古，使用USB端口是天真的。没有适当的工程师会这样做，“Gulich说。
但即使有了新方案，他们也无法让机器人稳定下来。复活节快到了，第三次演讲将在两周内完成。古利奇和他的一些队友去度假了。其他几个人，包括Klemm，留下来继续制作Ascento。由于无法解决平衡问题，克莱姆和摩拉开始向其他工程学学生和教师寻求建议。一名博士生观看了机器人坠落的视频，并回顾了团队的一些数据，他说，他认为倾斜传感器看起来很奇怪。团队成员发现，这些设置没有进行平衡调整，这导致反应时间延迟。他们进行了调整，在20分钟内，机器人就稳定了。
“这真是一个伟大的时刻。这只是一个设定，我们调整了它，它完美地平衡了。我们超级开心，”克莱姆说。
离最后的演示还有三周，他们还得改进机器人的驾驶能力，让它保持稳如磐石的平衡，并让它跳跃。控制组开始轮班，只睡6个小时就回去工作了。一些团队成员会花一天时间取得尽可能多的进展，然后将其交给下一个团队。他们让机器人跳了起来，但着陆时很困难。在一个学生接住它之前，它几乎要掉下来了。
这样持续了好几天。然后有一天晚上，当克莱姆和古利奇睡觉时，包括维尔内塞尔和西罗·萨尔兹曼在内的团队成员让机器人跳跃并平稳着陆。古利奇醒来时发现手机上有视频。团队里的每个人都冲到办公室去亲眼看看。他们打开了一瓶香槟，这瓶香槟是他们从项目开始的第一周就在冰箱里喝的。
Ascento与现有的团队成员，从左起，Dominik Mannhart, Ciro Salzmann, Alessandro Morra, Lionel Gulich，和Victor Klemm。图片来源:ETHZ
“[跳跃机器人]是所有想法中最酷的最酷，现在已经两年后，我们仍然爱上了轮子和腿的技术和跳跃。”
Ethzürich的机械工程学生Lionel Gulich
当Klemm和Gulich回顾他们的经历时，他们都说很高兴他们选择了最难的机器人。“这是所有想法中最酷的，现在已经过去两年了，我们仍然完全热爱轮子、腿和跳跃的技术，”Gulich说。
Klemm说，如果他们选择一个更简单的机器人，他们就会在两年前完成任务，然后各奔东西。虽然它可以很容易地跳到楼梯的高度，但它需要一个滚动的开始。他们想要加快速度。九名学生中有五人在研究生阶段继续完善Ascento。他们都将大学研究的一部分重点放在机器人的技术方面，发表了两篇学术论文，并在一些会议和活动上发表了演讲。
该团队将机器人视为可定制的平台，可以支持一系列传感器，例如热摄像机，麦克风，激光扫描仪或化学传感器，这可以根据工业需求换金宝app出。例如，紧凑的机器人可以检查仓库库存，寻求工业区的化学泄漏，或映射新的建筑工地。它甚至可以搜索幸存者的灾难区。他们希望在三个月内准备好的下一个版本的Asceno将更紧密地代表这一理想的最终产品。
对克莱姆来说，那一天将是苦乐参半的。“有很多事情要做，这是一个非常有趣的系统，”他说。“我不想让它结束。”
