这场辩论已经进行了两个多星期。那是2017年夏末，9名工科本科学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制造一个机器人，它可以在平面上快速移动，也可以爬楼梯。但是他们在设计上无法达成一致。有几个想法排名靠前，包括一个带踏板的坦克机器人，以及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动自己爬上一段楼梯。有了这些，学生们看到了更好的机会来设计、制造和操作一个工作机器人。但每个设备都有其缺点，比如太笨重、太慢或与其他研究人员已经制造的机器人太相似。
其中最具创新性的想法——用轮子代替脚的两条腿跳跃机器人——并不受欢迎。每个人都能看出设计和编程这样一台机器是多么困难。他们必须克服许多工程和软件方面的挑战，才能让它在滚动时保持平衡，更不用说跳跃了。这似乎是不可能的。“我反对的是一个跳跃机器人，”团队成员、机械工程专业的学生维克多·克莱姆说。“要在两个轮子上完成跳跃并重新稳定，机器人必须非常敏捷，并拥有尖端的运动控制技术。”
突然，队员弗洛里安·韦伯说话了。机械工程专业的学生莱昂内尔·古利奇回忆道:“他说，‘伙计们，让我们试试跳跃的那个，因为尽管它可能是最难的，但它是最酷的，这可能是我们一生中最后一次有选择的机会。’”渐渐地，韦伯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这是一个重23磅的双足机器人，能在平坦的地形上以每小时5英里的速度滚动，能垂直跳跃14英寸而不摔倒。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。
“要在两个轮子上完成跳跃并重新稳定，机器人必须非常敏捷，并拥有尖端的运动控制技术。”
维克多·克莱姆，ETH机械工程专业的学生Zürich
获得一条腿
到9月份开学时，这9名工程专业的学生已经根据兴趣分成了4个小组:电子学、软件控制、建筑与设计、感知与计算机视觉。他们有五周的时间来构建一个原型，并在三个中间演示中的第一个演示中展示他们的进展。利用ETHZ的可用办公空间，他们开始每天开会，勾勒出可以爬楼梯的机器人的想法。他们用MATLAB提出了20个概念®为了评估基本动作，把它们归结为四个似乎最有可能的选项。在此基础上，他们用纸板和乐高积木制作了粗糙的物理模型®块，并创建了3D计算机辅助设计图纸。ascento -一个在早期由感知和计算机视觉团队成员Nicola Küng-was提出的名字开始走到一起。
在几周内，学生们就有了一个可靠的设计，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便耐用的机器人，他们需要将机载电机和电子设备保持在最低限度。学生们使用MATLAB中的优化工具来专注于一种不寻常的腿部设计，使每个髋关节都有一个腿部马达成为可能。这种设计是这样的:每条腿都有一块小腿骨(在膝盖和车轮之间)，但有两块大腿骨。其中一根股骨连接机动髋关节和有弹性的膝关节来控制跳跃。另一根股骨与第一根平行，连接到一个销钉关节和第二个膝关节，以在机器人驾驶时保持稳定。两条股骨的形状和它们与小腿骨的连接像一个平行四边形。几周后，学生们就有了一个可靠的设计方案，在建造和设计组成员多米尼克·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。
那是10月份，第一次中间演示的截止日期已经迫近。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。他们从大学周围收集了轮毂电机、传感器和其他电子部件，将它们添加到Ascento上，并组装了一个控制系统，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。
克莱姆说:“这给人一种很酷的印象。整个团队都欣喜若狂。“但事实也证明这是一个陷阱，”他说。被黑的平衡系统不足以适应更快、更强大的马达，而电脑控制系统最终需要在行驶和跳跃时保持稳定。下一次演示计划在圣诞节前进行，而前面的路将比团队成员意识到的要长得多。
该团队使用3D打印机创建了Ascento机器人的第一个原型。图片来源:ETHZ
平衡
因为物理控制着系统的动力学，所以让机器人正常工作是一个数学问题。克莱姆的任务是将物理系统转换成数学模型。为了做到这一点，他利用各种结构元件的质量、运动部件的惯性和其他信息，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，他将这些方程插入Simulink万博1manbetx®建立一个计算机模拟。在那里，他不仅进行了测试，让他更好地了解机器人的能力，还设计了用于产生最佳运动的原型算法。例如，在模拟中，机器人首先感知到自己的上半身向前倾，然后加速下半身迎头赶上，从而防止自己向前倾。
克莱姆说，人也会做同样的事情。“如果你是站着的，你开始向前跌倒，你会向前迈一步重新获得平衡。”
该团队使用MATLAB和Simulink来调整平衡万博1manbetx算法，一旦它们在仿真中工作良好，就会将调整后的参数转移到真正的Ascento机器人上。12月底，学生们在第二代机器人上安装了更好、更强大的马达和传感器。但每次他们进行测试时，机器人都会摔倒。他们会排除机械故障，在Simulink中重新测试控制算法，转换代码，然后重新安装到机器人上，然后它就会掉下来。万博1manbetx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，我们有了昂贵的马达，现在一切都比以前容易多了。’但恰恰相反，事实并非如此。”
在第二次演示截止日期的前几天，包括克莱姆、古利奇、科伦丁·菲斯特和亚历山德罗·摩拉在内的几名学生连续上了两个通宵，努力让机器人稳定下来。它就是不平衡。在演示当天，该团队展示了他们的状态，并展示了一段机器人疯狂地来回摆动的短视频。队员们虽然很失望，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月前达到平衡，我将放弃我的工程研究。”
例如，在模拟中，机器人首先感知到自己的上半身向前倾，然后加速下半身迎头赶上，从而防止自己向前倾。
一小步
2018年春天，机器人团队正在取得进展。他们实施了一项重大改变，这将提高他们成功的几率:他们不再使用USB端口向Ascento的马达发送命令，而是改用专门为这项任务设计的通信协议。该协议被称为控制器区域网络，针对电机通信和高速进行了优化。有了它，他们将发送到电机的指令数量从每秒20个增加到每秒400个。模拟没有错;信号传送到马达的时间太长了。这是许多学习时刻之一。事后看来，使用USB端口是naïve。没有一个合格的工程师会那样做，”Gulich说。
但即使有了新的方案，他们也无法让机器人稳定下来。复活节快到了，第三次演示要在两周内完成。古利奇和他的一些队友去度假了。包括Klemm在内的其他几个人留下来继续开发《Ascento》。由于无法解决平衡问题，克莱姆和摩拉开始向其他工程专业的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，并查看了团队的一些数据，他说他觉得倾斜传感器看起来很奇怪。团队成员发现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，机器人稳定了下来。
“这是一个伟大的时刻。这只是一个设置，我们调整了它，它完美地平衡了。我们非常开心，”克莱姆说。
离最后的演示还有三周的时间，他们仍然需要完善机器人的能力，使其能够保持稳定的平衡，并让机器人跳跃。控制组开始轮班，只睡6个小时就回去工作了。几个团队成员会花一天时间尽可能多地取得进展，然后将其移交给下一个团队。他们让机器人跳了起来，但着陆时很颠簸。在学生接住它之前，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，包括维尔奈塞尔和西罗·萨尔兹曼在内的团队成员让机器人跳起来并笔直地着陆。古利奇醒来后发现手机上有一段视频。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，这是他们从项目开始的第一周就放在冰箱里的。
上升与当前的团队成员，从左起，多米尼克·曼哈特，西罗·萨尔兹曼，亚历山德罗·摩拉，莱昂内尔·古里奇和维克多·克莱姆。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机械工程专业的学生Zürich
当Klemm和Gulich回顾他们的经历时，他们都说他们很高兴他们选择了最难的机器人。古利奇说:“这是最酷的想法，现在两年过去了，我们仍然非常喜欢轮子、腿和跳跃的技术。”
克莱姆说，如果他们选择了一个更简单的机器人，他们两年前就已经完成了任务，然后就分道扬镳了。虽然它可以轻松地跳过楼梯的高度，但它需要滚动启动。他们想加快速度。九名学生中有五名在研究生期间留下来继续完善Ascento。他们都把大学研究的一部分集中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一个可定制的平台，可以支持一系列传感器，如热像仪、麦克风、激光扫描仪或化学传感器，这些传感器可以根据工万博1manbetx业需求进行更换。例如，这种小巧的机器人可以检查仓库库存，寻找工业区的化学品泄漏，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Ascento，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。“有这么多事情要做，这是一个如此有趣的系统，”他说。“我不想让它结束。”
