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行走的机器

脑震荡 发表于 2016-12-26 01:31:47
轮子被视为人类最古老最重要的发明,几乎与火的使用相提并论。有了轮子,才有了路上满大街飞驰的车子,才有了现代的工业文明。但人类似乎从未停止想象和试验过轮子以外的移动方式,毕竟造物者并没有给我们下面配了轮子,而给大多数生物安得是各式各样的“腿”。

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宫崎骏的《哈尔的移动城堡》

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《星球大战》里的AT-AT

木牛流马
我们祖先走在了前面,公元230左右,诸葛亮发明了运粮工具木牛流马。可悲的是,没有人知道木牛流马到底长什么样,能看到的几乎都是后世臆想的复原品。有人说木牛流马就是独轮小车,日行二十里的话,轮子的机械效率比较高。有人却坚持是一种像牛和马的四条腿的行走机械,因为古籍记载 “木牛者,方腹曲头,一脚四足”, 并且它的设计初衷是能在崎岖的山道上行走的,而这种路况下轮子是有局限性的。

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民间复原的木牛流马

Steam Man蒸汽人
蒸汽机的发明催生了第一次工业革命。1825年George Stephenson的蒸汽火车“旅行者号”正式试车成功。1867年,美国新泽西州的机械师Zadock Deddrick发明了世界第一款蒸汽人,一种由蒸汽驱动的直立人拉动的二轮车。Deddrick花了2000美刀做了蒸汽人的原型。他希望能以300美元每台的价格推向市场,并提供一年免维修的保障,它能提供可以相当于12匹马的动力。虽然Deddrick的愿景不了了之了,但他的Steam Man却激发了更多人制造类似的机器,而且Steam Man也经常地出现在早期的很多科幻小说里。

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Deddrick的Steam Man

机械马
似乎人们对于马的机械重构情有独钟。比如1867年美国人W. Farr Goodwin注册了一种玩具机械马的发明,继而被National Ironworks Company生产。

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W. Farr Goodwin的机械马发明专利

10年后的1877年,美国有个叫Doyle的人也发明了一匹大型的机械马,完美地模仿了马的运动。不过它内部没有动力装置,动力是由外部(马屁眼)传到马体内的驱动结构。

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Doyle的机械马专利

1932年,意大利人D. G. Alzetta用钢管和汽油引擎做了一匹比较抽象的“摩托马”,大概有5匹的马力,承载一个人的同时拉动一辆轻型的农用车,但它还不能驰骋。

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Alzetta的摩托马

1947年,加拿大人W.J. McIntyre同样用汽油发动机做了一匹名叫“Blowtorch”的机械马。Blowtorch的大小和真马一样,身体都是用铁皮包裹,发动机藏在肚子里,9匹马力。不过Blowtorch的走姿并不怎么完美,为了平衡,四个蹄子下面还装了辅助轮,却仍然阻止不了它冷不丁地扑街。
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扑街的Blowtorch

行走的坦克
随着汽油动力的广泛应用,各式各样的专用车辆蓬勃发展,有人也开始试图想把一些专用车辆的轮子换成机械腿,比如坦克。军用车辆很少会在平坦的公路上跑,多半是在泥泞曲折的极端环境里使用,1960左右密歇根大学的Joseph E. Shigley陆续为美国军方设计了两款行走的机械。第一款式是一辆有16条腿的军用卡车,前后左右各有4组4条腿,这样可以保证任何时候都有腿能支撑身体。

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Shigley的设计图

Shigley的第二个设计是一种会走路的坦克。坦克的两边用的不是常见的履带轮,而是矩形状的机械腿,交替着支撑坦克并提供向前的动力。

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会走路的坦克

1965年,通用电气(GE)也在为美国军方研制一种四足行走的运输装置。这个大概有3.6米高的机器有能容纳一个驾驶员的操控室。驾驶员用手控制它的方向,用脚蹬来控制它的速度,驾驶员每蹬一步,它就前进一步,当然是有额外发动机助力的。按照设计,这种四足运输机械的最高速度可以达到35码,适合在各种极端的坏境下进行运输工作。

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GE Walking Truck

GE Walking Truck


摇摆前进的机器
战斗的名族总是特立独行。1971年,俄罗斯教授Katsyu设计了一种通过左右摆动前进的机器人。它的机械构造与众不同,两个三趾的支撑足通过一条杠杆连接,杠杆上有一个可以左右移动的重量结构。当这个重量结构移到一端时,像跷跷板一样,另一端的支撑足就翘起。然后围绕另一个支撑足,杠杆就可以转向,然后周而复始,整个机器就可以朝特定的轨迹摇摆前进。Katsyu教授格局很大,想象着利用这种机械原理制造的巨大军事堡垒,可以在群山峻岭间轻松前行,为伟大的苏维埃事业添砖加瓦。

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战斗名族的设计

The Walking Gyro(步行陀螺)
步行机器一般可以归纳成两类:静态平衡和动态平衡。静态平衡机器,通过将其重心保持在机器和表面之间的接触面上,从而在步幅的每个位置中保持稳定; 动态平衡机器通常在每个步幅中都不是静态稳定的,必须依赖于间歇施加的控制力得以保持平衡。1981年,美国人John W Jameson发明的Walking Gyro就是动态平衡典型的例子。它是利用飞轮高速转动来实现角动量守恒的一种行走小机械。后来很多的玩具都是基于Jameson的设计。

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John W Jameson发明的Walking Gyro

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基于Jameson设计的玩具

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3D打印的Gyroman

多足机械
除了双足和四足,模仿昆虫的多足机械也开始被更多地研究和应用。比如在美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)的支持下,1983年卡耐基梅隆大学机器人系的Ivan Sutherland研发了一款液压汽油动力的六足机器人。同一时刻都会有三条腿支撑,然后下一个步幅另外三条腿交替支撑。

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Sutherland发明的Hexapod

Strandbeest(沙滩风力兽)
1990年荷兰艺术家Theo Jansen试图用PVC,木材等材料创造出一种完全脱离现有科技靠风力驱动的“生命体”。他创造了一种独特的机械行走的链接机制。也被后来者相继模仿。

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Theo Jansen和Strandbeest

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Theo Jansen创造的Animaris Rhinoceros Lignatus

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Jansen设计的Linkage

机械狗
进入21世纪后,在DARPA的支持下美国的Boston Dynamics(波士顿动力)公司研发了一系列四足机械人系列,包括BigDog,CHEETAH,LittleDog,LS3和最新的Spot Mini。随着电子传感和控制技术的发展和应用,21世纪的四足机器无论在动力、负载、精度、智能各方面,都是几十年前的先驱们无法想象的。

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Boston Dynamics的机械狗系列

Spot Mini

人形机器人
就像上帝按照自己的模样创造人一样,可能创造出和我们一样智能和敏捷的机械人是整个人类的梦想和目标。2000年日本Honda本田工业设计并制造了电机控制人形机器人的巅峰之作ASIMO。2011年版的ASIMO全身有57处可活动的关节,充满电可以活动近1小时,跑步速度达到9km/h。

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ASIMO近照

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ASIMO跑步

2013年Boston Dynamics公布的人形机器人Atlas站在另外一个巅峰。与ASIMO的设计理念不同,Atlas的全身关节都是液压驱动的,相对于更容易的控制的电机控制,液压控制的关节有更强的扭力,而且液压的动力来源于柴油机。

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Atlas

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Atlas搬砖

至此带着大家零乱且浅尝辄止地回顾了一下各个时代出现的行走的机器。最后请大家干了这玩鸡汤:我们相信人们在这个方向上的探索永远不会停止,以后会有更多形色各异的步行机器出现,而且终究有一天,这些另类机械会颠覆我们的生活!

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