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。
其中最具创新性的想法是设计一个有轮子而非脚的两腿跳跃机器人，但并不受欢迎。每个人都能看出设计和编写这样一台机器是多么困难。他们必须克服许多工程和软件上的挑战才能让它在滚动时保持平衡，更不用说跳跃了。似乎是不可能的。“我反对一个会跳的机器人，”团队成员维克多·克莱姆说，他是一名机械工程专业的学生。“为了完成跳跃并在两个轮子上恢复稳定，机器人必须非常灵活，并拥有尖端的运动控制技术。”
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。
“为了完成跳跃并在两个轮子上恢复稳定，机器人必须非常灵活，并拥有尖端的运动控制技术。”
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®为了评估基本动作，将它们归结为四个看起来最有可能的选项。在那里，他们用纸板和乐高搭建了粗糙的物理模型®块，并创建3D计算机辅助设计图纸。ascento这个名字是由感知和计算机视觉团队成员Nicola Küng-was在早期提出的。
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。
Klemm说:“这给人的印象很酷。整个团队都欣喜若狂。“但事实也证明这是一个陷阱，”他说。黑客破解的平衡系统不够好，无法适应更快、更强大的发动机，阿森托最终需要电脑控制系统来保持行驶和跳跃时的稳定。下一次的演讲安排在圣诞节前，前面的路比团队成员想象的要长得多。
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
由于物理控制着系统的动力学，使机器人正常工作是一个数学问题。Klemm的任务是将物理系统转换成数学模型。为此，他利用各种结构元素的质量、运动部件的惯性以及其他信息，在MATLAB中推导出描述理想机器人理论上如何运动的方程。接下来，他把这些方程输入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，就将调整后的参数传递给真正的Ascento机器人。在接近12月底的时候，学生们在第二代机器人上安装了更好、更强大的发动机和传感器。但每次他们进行测试时，机器人就会翻倒。他们会排除机械故障，在Simulink中重新测试控制算法，转换代码，然后重新安装在机器人上，机器人就会掉下来。金宝app这样持续了几个星期。“我们非常震惊。我们想，‘是的，我们有了新的硬件、电池、传感器，我们有了电脑，我们有了昂贵的发动机，现在一切都应该比以前容易得多。’但恰恰相反，事实并非如此。”
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，机器人团队取得了进展。他们实施了一项可以提高成功几率的重大改变:他们停止使用USB端口向Ascento的发动机发送指令，转而使用专门为这项任务设计的通信协议。该协议称为控制器区域网络，为电机通信和高速而优化。通过它，他们将发送给马达的指令数量从每秒20个增加到每秒400个。模拟结果没有错;信号花了太长时间才到达马达。这是许多学习的时刻之一。“事后看来，使用USB端口是naïve。没有一个合格的工程师会这样做，”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，现在两年过去了，我们仍然非常喜欢轮子、腿和跳跃的技术。”
Lionel Gulich, ETH Zürich机械工程专业学生
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。
该团队认为机器人是一个可定制的平台，可以支持一系列传感器，如热成像、麦克风、激光扫描仪或化学传感器，可以根据工业需要更换金宝app。例如，小巧的机器人可以检查仓库库存，寻找工业区的化学物质泄漏，或绘制新的建筑工地地图。它甚至可以在灾区搜寻幸存者。下一个版本的阿森托，他们希望在三个月内准备好，将更接近这个理想的最终产品。
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。”
