Animals run robustly in diverse terrain. This locomotion robustness is puzzling because axon conduction velocity is limited to a few ten meters per second. If reflex loops deliver sensory information with significant delays, one would expect a destabilizing effect on sensorimotor control. Hence, an alternative explanation describes a hierarchical structure of low-level adaptive mechanics and high-level sensorimotor control to help mitigate the effects of transmission delays. Motivated by the concept of an adaptive mechanism triggering an immediate response, we developed a tunable physical damper system. Our mechanism combines a tendon with adjustable slackness connected to a physical damper. The slack damper allows adjustment of damping force, onset timing, effective stroke, and energy dissipation. We characterize the slack damper mechanism mounted to a legged robot controlled in open-loop mode. The robot hops vertically and planar over varying terrains and perturbations. During forward hopping, slack-based damping improves faster perturbation recovery (up to 170%) at higher energetic cost (27%). The tunable slack mechanism auto-engages the damper during perturbations, leading to a perturbation-trigger damping, improving robustness at minimum energetic cost. With the results from the slack damper mechanism, we propose a new functional interpretation of animals' redundant muscle tendons as tunable dampers.

拍打翅膀是一种生物启发的方法，可在空中机器人中产生升力和推动，从而导致安静有效的运动。该技术的优点是安全性和可操作性，以及与环境，人类和动物的物理互动。但是，为了实现大量应用，这些机器人必须栖息和土地。尽管最近在栖息场上取得了进展，但直到今天，拍打翼车辆或鸟类动物仍无法停止在分支上的飞行。在本文中，我们提出了一种新颖的方法，该方法定义了一个可以可靠和自主将鸟鸟类降落在分支上的过程。该方法描述了拍打飞行控制器的联合操作，近距离校正系统和被动爪附件。飞行由三重俯仰高空控制器和集成的车身电子设备处理，允许以3 m/s的速度栖息。近距离校正系统，具有快速的光学分支传感可补偿着陆时的位置错位。这是通过被动双向爪设计可以补充的，可以锁定和固定2 nm的扭矩，在25毫秒内掌握，并且由于集成的肌腱致动而可以重新打开。栖息的方法补充了四步实验开发过程，该过程为成功的设计优化。我们用700 g的鸟杆验证了这种方法，并演示了在分支上拍打翼机器人的第一次自主栖息飞行，结果用第二个机器人复制。这项工作为在远程任务，观察，操纵和室外飞行中应用翼机器人的应用铺平了道路。

人类的腿部运动受人体和神经控制的自然动态的控制。假定有助于人类行走效率高的一种机制是冲动的脚踝推断，它可能为挥杆腿弹射器提供动力。然而，尚不清楚人类下腿的机制，其复杂的肌肉弯曲单元跨越了单个关节和多个关节。腿部机器人允许在实际步行步态中测试复杂的腿力学，控制和环境之间的相互作用。我们开发了一个高0.49m，2.2千克的拟人化型双足机器人，带有比目鱼和甲壳虫肌肉弯曲单元，由线性弹簧代表，在机器人的踝关节和膝关节周围充当单型和二子弹性结构。我们测试了三个比目鱼和胃弹簧螺旋形构型对踝关节功率曲线的影响，踝关节和膝关节运动的协调，总运输成本和步行速度。我们用前馈中央模式发生器控制了机器人，在1.0Hz运动频率下，步行速度在0.35m/s和0.57m/s之间，腿长为0.35m。我们发现所有三种配置之间的差异。比目鱼弹簧刺刺调节机器人的速度和能量效率可能是通过踝关节放大的，而胃刺的弹簧螺旋体在推下时改变了脚踝和膝关节之间的运动配位。

在各种条件下行走期间关节阻抗的知识与临床决策以及机器人步态培训师，腿部假体，腿矫形器和可穿戴外骨骼的发展相关。虽然步行过程中的脚踝阻抗已经通过实验评估，但尚未识别步行期间的膝盖和髋关节阻抗。在这里，我们开发并评估了下肢扰动器，以识别跑步机行走期间髋关节，膝关节和踝关节阻抗。下肢扰动器（Loper）由致动器组成，致动器通过杆连接到大腿。 Loper允许将力扰动施加到自由悬挂的腿上，同时站立在对侧腿上，带宽高达39Hz。在以最小的阻抗模式下行走时，Loper和大腿之间的相互作用力低（<5N），并且对行走图案的效果小于正常行走期间的对象内变异性。使用摆动腿动力学的非线性多体动力学模型，在摆动阶段在速度为0.5米/秒的速度的九个受试者期间估计臀部，膝关节和踝关节阻抗。所识别的模型能够预测实验反应，因为分别占髋部，膝关节和踝部的平均方差为99％，96％和77％。对受试者刚度的平均分别在34-66nm / rad，0-3.5nm / rad，0-3.5nm / rad和2.5-24nm / rad的三个时间点之间变化，分别用于臀部，膝部和踝关节。阻尼分别在1.9-4.6 nms / rad，0.02-0.14 nms / rad和0.2-2.4 nms / rad的0.02-0.14 nms / rad供应到0.2-2.4nms / rad。发达的洛普勒对不受干扰的行走模式具有可忽略的影响，并且允许在摆动阶段识别臀部，膝关节和踝关节阻抗。

大多数腿部机器人都是由串行安装链路和执行器的腿部结构构建的，并通过复杂的控制器和传感器反馈来控制。相比之下，动物发展了多段腿，关节之间的机械耦合以及多段的脚。它们在所有地形上运行敏捷，可以说是通过更简单的运动控制。在这里，我们专注于开发抗原在自然地形上也滑落和下沉的脚步机制。我们提出了安装在具有多接头机械肌腱耦合的鸟类灵感机器人腿上的多段脚的首先结果。我们的单段和两段机械自适应的脚显示在开始滑动之前，在多个软和硬质基材上显示了可行的水平力。我们还观察到，与球形和圆柱 - 脚相比，分割的脚减少了软底物上的下沉。我们报告了多段脚如何提供非常适合双皮亚机器人的可行压力点的范围范围，还适用于斜坡和自然地形上的四倍机器人。我们的结果还提供了对诸如级别鸟类等动物的分段脚的功能理解。

尽管大多数微型机器人在坚固耐用的地形上都面临困难，但甲虫可以在复杂的底物上平稳行走而不会滑倒或粘在地面上，因为它们的刚度可变可变的塔西（Tarsi）和可在塔西（Tarsi）的尖端上伸展的钩子。在这项研究中，我们发现甲虫会积极弯曲并定期扩大爪子以在网状表面上自由爬行。受甲虫的爬行机制的启发，我们设计了一个8厘米的微型攀岩机器人，以与天然甲虫相同的循环方式打开和弯曲的人造爪。机器人可以在网格表面上以可控步态自由攀爬，陡峭的斜角60 {\ deg}，甚至过渡表面。据我们所知，这是第一个可以同时攀登网格表面和悬崖倾斜的微型机器人。

为了在医疗和工业环境中广泛采用可穿戴机器人外骨骼，至关重要的是，它们可以适应性地支持大量运动。我们提出了一种新的人机界面，以同时在一系列“看不见的”步行条件和未用于建立控制界面的“看不见”步行条件和过渡期间同时驱动双侧踝部外骨骼。提出的方法使用人特异性的神经力学模型从测量的肌电图（EMG）和关节角度实时估算生物踝关节扭矩。基于干扰观察者的低级控制器将生物扭矩估计转换为外骨骼命令。我们称此“基于神经力学模型的控制”（NMBC）。 NMBC使六个人能够自愿控制六个步行条件下的双边踝部外骨骼，包括所有中间过渡，即两个步行速度，每个步行速度在三个地面高程中进行，不需要预先定义的扭矩轮廓，也不需要先验选择的神经肌肉肌肉反射规则，或国家机器在文献中很常见。在涉及月球漫步的灵活的运动任务上进行了一个单一的主题案例研究。 NMBC始终启用能够减少生物踝扭矩，以及与非辅助条件相比，在步行条件（24％扭矩； 14％EMG）之间以及步行条件（24％扭矩； 14％EMG）之间的八个踝部肌肉EMG。新型步行条件下的扭矩和EMG减少表明，外骨骼在操作员的神经肌肉系统控制的外观上进行了共生。这为系统地采用可穿戴机器人作为现场医疗和职业环境的一部分开辟了新的途径。

通过提供超出人为局限性的环境，机器人是空间探索的关键仪器。跳跃机器人概念是有吸引力的谈判复杂地形的解决方案。然而，在克服的工程挑战中，能够持续运行的跳跃机器人概念，机械故障模式的减少是最基本的。本研究提出开发跳跃机器人，重点是减少机制维护的最小致动。我们介绍了Sarrus式连杆的合成，以限制系统在不使用典型的同步齿轮的情况下对系统进行三种翻译程度。我们将目前的研究界定到垂直固体跳跃，以评估基本主驱动轴的性能。实验室示威者有助于转移理论概念和方法。实验室示威者进行了63％的动能转换效率的跳跃，理论最大为73％。令人满意的运行开辟了朝向太空勘探跳跃机器人平台的发展的设计优化和方向跳跃能力。

Snakes and their bio-inspired robot counterparts have demonstrated locomotion on a wide range of terrains. However, dynamic vertical climbing is one locomotion strategy that has received little attention in the existing snake robotics literature. We demonstrate a new scansorial gait and robot inspired by the locomotion of the Pacific Lamprey. This new gait allows a robot to steer while climbing on flat, near-vertical surfaces. A reduced-order model is developed and used to explore the relationship between body actuation and vertical and lateral motions of the robot. Trident, the new wall climbing lamprey-inspired robot, demonstrates dynamic climbing on flat vertical surfaces with a peak net vertical stride displacement of 4.1 cm per step. Actuating at 1.3 Hz, Trident attains a vertical climbing speed of 4.8 cm/s (0.09 Bl/s) at specific resistance of 8.3. Trident can also traverse laterally at 9 cm/s (0.17 Bl/s). Moreover, Trident is able to make 14\% longer strides than the Pacific Lamprey when climbing vertically. The computational and experimental results demonstrate that a lamprey-inspired climbing gait coupled with appropriate attachment is a useful climbing strategy for snake robots climbing near vertical surfaces with limited push points.

本文介绍了与平面腿机器人一起使用的支持和恢复系统的设计和控制。系统以三种模式运行。首先，它可以以完全透明的模式操作，其中没有力被应用于机器人。在这种模式下，系统遵循机器人，以便在需要时能够快速捕获机器人。其次，它可以提供垂直支撑力以在操作期间提供机器人。第三，它可以抓住机器人并在未能避免跌倒和相关损害后将其从地面拉开。在此模式下，系统在允许运行多个连续试验的试验后自动重置机器人，无需手动干预。通过致动电缆和滑轮系统将支撑力应用于机器人，该电缆和滑轮系统使用串联弹簧串联弹性致动，以实现真正透明的操作。该系统的非线性性质需要仔细设计控制器，以确保可预测的安全行为。在本文中，我们介绍了恢复系统的机电调整设计，开发合适的控制器，并评估了BipeDal Robot Ramone上的系统性能。

Legged robots pose one of the greatest challenges in robotics. Dynamic and agile maneuvers of animals cannot be imitated by existing methods that are crafted by humans. A compelling alternative is reinforcement learning, which requires minimal craftsmanship and promotes the natural evolution of a control policy. However, so far, reinforcement learning research for legged robots is mainly limited to simulation, and only few and comparably simple examples have been deployed on real systems. The primary reason is that training with real robots, particularly with dynamically balancing systems, is complicated and expensive. In the present work, we report a new method for training a neural network policy in simulation and transferring it to a state-of-the-art legged system, thereby we leverage fast, automated, and cost-effective data generation schemes. The approach is applied to the ANYmal robot, a sophisticated medium-dog-sized quadrupedal system. Using policies trained in simulation, the quadrupedal machine achieves locomotion skills that go beyond what had been achieved with prior methods: ANYmal is capable of precisely and energy-efficiently following high-level body velocity commands, running faster than ever before, and recovering from falling even in complex configurations.

外骨骼和矫形器是可穿戴移动系统，为用户提供机械益处。尽管在过去几十年中有重大改进，但该技术不会完全成熟，以便采用剧烈和非编程任务。为了适应这种功能不全，需要分析和改进该技术的不同方面。许多研究一直在努力解决外骨骼的某些方面，例如，机构设计，意向预测和控制方案。但是，大多数作品都专注于设计或应用的特定元素，而无需提供全面的审查框架。本研究旨在分析和调查为改进和广泛采用这项技术的贡献方面。为了解决此问题，在引入辅助设备和外骨骼后，将从物理人员 - 机器人接口（HRI）的角度来研究主要的设计标准。通过概述不同类别的已知辅助设备的几个例子，将进一步开发该研究。为了建立智能HRI策略并为用户提供直观的控制，将研究认知HRI。将审查这种策略的各种方法，并提出了意图预测的模型。该模型用于从单个电拍摄（EMG）通道输入的栅极相位。建模结果显示出低功耗辅助设备中单通道输入的潜在使用。此外，所提出的模型可以在具有复杂控制策略的设备中提供冗余。

两足动物的步行是机器人一直试图模仿数十年的最重要人类的标志之一。尽管以前的控制方法已经达到了在某些地形上行走的机器人，但仍需要一个框架，可以在各种兼容的表面上进行稳定和稳健的运动。这项工作提出了一种新型的生物力学风格的控制器，该控制器调节腿的刚度，以支持在兼容的地形上进行健壮和动态的两足动力。首先，扩展了3D双滑道模型，以支持具有可变刚度和阻尼参数的兼容表面上的首次运动。然后，将提出的控制器与线性季节调节器（LQR）控制器进行比较，就踏上软地形的稳健性而言。 LQR控制器显示仅达到174 kN/m的中等地面刚度水平，而其刚度较低，则其失败。相反，所提出的控制器可以在低至30 kN/m的刚度水平下产生稳定的步态，从而导致腿的垂直接地穿透性比其静止长度的10％深。提出的框架可以通过为多种合规形的地形生成稳定的步行轨迹来推进两足步行的领域，可用于控制双子和人形生物，以及改善具有可调刚度的假体设备的控制器。

大多数Quadrupss开发的高度驱动，因此他们的控制是非常繁琐的。它们需要先进的电子设备连续解决复杂的逆运动型方程。此外，随着传统距离传感器通常由于机器人的运动而导致的连续扰动通常发生故障，它们要求特殊和昂贵的传感器自动导航环境。另一个挑战是在步行时保持机器人的连续动态稳定性，这需要复杂和最先进的控制算法。本文介绍了我们内部棱镜联合电池的硬件设计和控制架构的彻底描述，称为Prisma。我们的目标是伪造强大而温制性的稳定的四足机器人，可以使用基本控制算法并利用传统传感器来导航未知环境。我们讨论了机器人在其运动，不同脚轨迹，可制造性和控制方面的益处和限制。

Some of the most challenging environments on our planet are accessible to quadrupedal animals but remain out of reach for autonomous machines. Legged locomotion can dramatically expand the operational domains of robotics. However, conventional controllers for legged locomotion are based on elaborate state machines that explicitly trigger the execution of motion primitives and reflexes. These designs have escalated in complexity while falling short of the generality and robustness of animal locomotion. Here we present a radically robust controller for legged locomotion in challenging natural environments. We present a novel solution to incorporating proprioceptive feedback in locomotion control and demonstrate remarkable zero-shot generalization from simulation to natural environments. The controller is trained by reinforcement learning in simulation. It is based on a neural network that acts on a stream of proprioceptive signals. The trained controller has taken two generations of quadrupedal ANYmal robots to a variety of natural environments that are beyond the reach of prior published work in legged locomotion. The controller retains its robustness under conditions that have never been encountered during training: deformable terrain such as mud and snow, dynamic footholds such as rubble, and overground impediments such as thick vegetation and gushing water. The presented work opens new frontiers for robotics and indicates that radical robustness in natural environments can be achieved by training in much simpler domains.

本文介绍了Scalucs，这是一种四足动物，该机器人在地上，悬垂和天花板上爬上攀爬，并在地面上爬行。 Scaleer是最早的自由度四束机器人之一，可以在地球的重力下自由攀爬，也是地面上最有效的四足动物之一。在其他最先进的登山者专门攀登自己的地方，Scaleer承诺使用有效载荷\ Textit {和}地面运动实践自由攀爬，这实现了真正的多功能移动性。新的攀登步态滑冰步态通过利用缩放器的身体连锁机制来增加有效载荷。 Scaleer在地面上达到了最大归一化的运动速度，即$ 1.87 $ /s，$ 0.56 $ m /s，$ 1.2 $ /min，或$ 0.42 $ m /min /min的岩石墙攀爬。有效载荷能力达到地面上缩放器重量的233美元，垂直墙上的$ 35 $％。我们的山羊抓手是一种机械适应的两指抓手，成功地抓住了凸凸和非凸的对象，并支持缩放器。

四倍的机器人通常配备额外的手臂进行操作，对价格和重量产生负面影响。另一方面，腿部运动的要求意味着，这种机器人的腿通常具有执行操作所需的扭矩和精度。在本文中，我们介绍了一种新颖的设计，该设计针对一个小型四倍的机器人，配备了两个受甲壳类动物和指关节walker前的前肢启发的腿部安装机。通过使用腿部已经存在的执行器，我们只能使用每个肢体额外的3个电动机来实现操纵。该设计使相对于腿部电动机的小型且廉价的执行器的使用，从而进一步降低了成本和重量。由于集成的电缆/皮带轮系统，惯性的瞬间对腿的影响很小。正如我们在一套远程操作实验中所显示的那样，机器人能够执行单个和双LIMB操纵，并在操纵模式之间过渡。拟议的设计的性能与额外的手臂相似，同时称重和成本减少了每个操纵器的5倍，并可以完成需要2个操纵器的任务。

从意外的外部扰动中恢复的能力是双模型运动的基本机动技能。有效的答复包括不仅可以恢复平衡并保持稳定性的能力，而且在平衡恢复物质不可行时，也可以保证安全的方式。对于与双式运动有关的机器人，例如人形机器人和辅助机器人设备，可帮助人类行走，设计能够提供这种稳定性和安全性的控制器可以防止机器人损坏或防止伤害相关的医疗费用。这是一个具有挑战性的任务，因为它涉及用触点产生高维，非线性和致动系统的高动态运动。尽管使用基于模型和优化方法的前进方面，但诸如广泛领域知识的要求，诸如较大的计算时间和有限的动态变化的鲁棒性仍然会使这个打开问题。在本文中，为了解决这些问题，我们开发基于学习的算法，能够为两种不同的机器人合成推送恢复控制政策：人形机器人和有助于双模型运动的辅助机器人设备。我们的工作可以分为两个密切相关的指示：1）学习人形机器人的安全下降和预防策略，2）使用机器人辅助装置学习人类的预防策略。为实现这一目标，我们介绍了一套深度加强学习（DRL）算法，以学习使用这些机器人时提高安全性的控制策略。

许多应用需要机器人通过具有大障碍的地形，例如自动驾驶，搜救和救援和外星探索。虽然机器人在避免稀疏障碍时已经出色，但它们仍然在扭转杂乱的障碍物中挣扎。灵感来自蟑螂的使用和响应具有不同方式的障碍物的障碍物，以跨越不同刚度的草地梁，在这里，我们开发了一种能够进行环境力传感的简约机器人的物理模型，向前推进两个光束以模拟和理解杂乱障碍的遍历。像刚度和偏转位置一样的光束属性可以从测量的嘈杂的梁接触力估计，其富力地随着感测时间而增加。使用这些估计，模型预测了使用势能障碍定义的遍历定义的成本，并使用它来规划和控制机器人以产生并跟踪以最小成本横穿轨迹。在遇到僵硬的光束时，模拟机器人从更昂贵的音高模式转换为更昂贵的滚动模式到遍历。当遇到脆弱的光束时，它选择推动横梁，而不是避免光束的能量成本。最后，我们开发了一个物理机器人并证明了估计方法的有用性。

In unstructured environments, robots run the risk of unexpected collisions. How well they react to these events is determined by how transparent they are to collisions. Transparency is affected by structural properties as well as sensing and control architectures. In this paper, we propose the collision reflex metric as a way to formally quantify transparency. It is defined as the total impulse transferred in collision, which determines the collision mitigation capabilities of a closed-loop robotic system taking into account structure, sensing, and control. We analyze the effect of motor scaling, stiffness, and configuration on the collision reflex of a system using an analytical model. Physical experiments using the move-until-touch behavior are conducted to compare the collision reflex of direct-drive and quasi-direct-drive actuators and robotic hands (Schunk WSG-50 and Dexterous DDHand.) For transparent systems, we see a counter-intuitive trend: the impulse may be lower at higher pre-impact velocities.