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兩足機器人模仿跑步和跳躍時的人體平衡

2020-03-10 15:05:14    來源:    我來說兩句()
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 拯救有生命的建筑,適應性強的機器人的使命可能是從燒毀的建筑物,化學溢出物或任何人類無法應對的災難中拯救受害者。想象一下,例如,一個救援機器人可以四肢穿過瓦礫,然后在兩條腿上站起來,推開一個沉重的障礙物或沖破一扇鎖著的門。

工程師在四足機器人的設計及其運行,跳躍甚至后空翻的能力方面正在取得長足進步。但是讓兩足的類人機器人在不跌倒的情況下施加力量或推動物體一直是一個重要的絆腳石。

現在,麻省理工學院和伊利諾伊大學厄本那香檳分校的工程師已經開發出一種方法來控制兩腳遙控機器人的平衡-這是使類人動物能夠在挑戰性環境中執行高影響力任務的重要步驟。

該團隊的機器人在物理上類似于機械加工的軀干和兩條腿,由操作員穿著背心進行遠程控制,該背心將有關人的運動和地面反作用力的信息傳遞給機器人。

通過背心,操作員既可以指揮機器人的運動,又可以感覺到機器人的運動。如果機器人開始翻倒,則人會感到背心受到相應的拉動,并且可以進行調整,以重新平衡自己以及機器人的平衡。

在用機器人測試這種新的“平衡反饋”方法的實驗中,研究人員能夠遠程地保持機器人的平衡,因為它與人類操作員同步跳躍和行走。

麻省理工學院博士后開發了該方法的喬奧·拉莫斯(Joao Ramos)表示:“這就像在沉重的背包中跑步一樣-您可以感覺到背包的動態如何在周圍運動,并且可以適當地補償。“現在,如果您想打開一扇沉重的門,人類可以命令機器人將其身體扔向門并推動其打開,而不會失去平衡。”

現在擔任伊利諾伊大學香檳分校伊利諾伊大學助理教授的拉莫斯(Ramos)在《科學機器人》中的一項研究中詳細介紹了該方法。他的這項研究的共同作者是麻省理工學院機械工程副教授金桑培(Sangbae Kim)。

不僅僅是運動

此前,Kim和Ramos建造了兩足機器人HERMES(用于高效機器人機構和機電系統),并開發了通過遠程操作模仿操作員動作的方法,研究人員說這種方法具有一定的人文優勢。

拉莫斯說:“因為有一個可以實時學習和適應的人,所以機器人可以執行以前從未經歷過的動作(通過遙操作)。”

在示威活動中,愛馬仕(HERMES)將咖啡倒入杯子中,用斧頭砍木頭,并用滅火器滅火。

所有這些任務都涉及到機器人的上身和算法,以使機器人的肢體位置與其操作員的肢體位置相匹配。HERMES之所以能夠進行高沖擊力的動作,是因為該機器人扎根在原地。在這種情況下,保持平衡要容易得多。但是,如果要求機器人采取任何步驟,則它可能會試圖模仿操作員的動作。

“我們意識到,為了產生強大的力量或移動重物,僅僅復制動作是不夠的,因為機器人很容易掉落,”金說。“我們需要復制運營商的動態平衡。”

輸入Little HERMES,這是HERMES的微型版本,大約是普通成年人的三分之一。該團隊將機器人設計為簡單的軀干和兩條腿,并專門設計了該系統以測試下半身任務,例如運動和平衡。與其全身同類產品一樣,Little HERMES專為遠程操作而設計,操作員身著背心,可以控制機器人的動作。

為了使機器人能夠復制操作員的平衡而不僅僅是他們的動作,團隊必須首先找到一種簡單的方法來表示平衡。拉莫斯最終意識到,可以將平衡分解為兩個主要成分:一個人的質心和他們的壓力中心-基本上,就是在地面上施加等于所有支撐力的力的一個點。

拉莫斯發現,質心相對于壓力中心的位置直接關系到人在任何給定時間的平衡程度。他還發現這兩種成分的位置在物理上可以表示為倒立擺。想象一下,在植根于同一地點的同時左右搖擺。效果類似于上下顛倒的擺的搖擺,頂端代表人的質心(通常在軀干中),而底部代表人在地面上的壓力中心。

繁重的舉重

為了定義質心與壓力中心的關系,拉莫斯收集了人體運動數據,包括實驗室中的測量結果,他來回擺動,走到位,然后跳上一個測力板,該測力板測量了他在地面上施加的力,因為他的腳和軀干的位置被記錄下來。然后,他將該數據壓縮為質心和壓力中心的度量,并開發了一個模型來表示彼此之間的關系,即倒立擺。

然后,他開發了第二個模型,類似于用于人類平衡的模型,但縮放到了更小,更輕的機器人的尺寸,并且他開發了控制算法,以鏈接并啟用兩個模型之間的反饋。

研究人員首先在他們在實驗室中建立的簡單的倒立擺上測試了這種平衡反饋模型,其形式是與Little HERMES高度相同的光束。他們將光束連接到其遠程操作系統,并根據操作員的運動沿軌道來回擺動。當操作員向一側傾斜時,橫梁也照做-操作員也可以通過背心感覺到這一動作。如果光束搖擺得太遠,操作者會感覺到拉力,可以傾斜另一種方式進行補償,并保持光束平衡。

實驗表明,新的反饋模型可以保持光束的平衡,因此研究人員隨后在Little HERMES上嘗試了該模型。他們還為機器人開發了一種算法,可以自動將簡單的平衡模型轉換為每個腳都要產生的力,以復制操作員的腳。

在實驗室中,拉莫斯發現他穿著背心時,不僅可以控制機器人的運動和平衡,而且還可以感覺到機器人的運動。當用錘子從各個方向擊打機器人時,拉莫斯感到背心向機器人移動的方向傾斜。拉莫斯本能地抵抗了拖船,該拖船被機器人記錄為質心相對于壓力中心的細微變化,而拖拉又被模仿。結果是,即使在反復撞擊身體的情況下,該機器人也能夠防止翻倒。

Little HERMES還在其他練習中模仿了Ramos,包括在原地奔跑和跳躍,在不平坦的地面上行走,同時無需借助系繩或支撐就能保持平衡。

金說:“平衡反饋是很難定義的,因為這是我們不加考慮的事情。” “這是第一次為動態動作正確定義平衡反饋。這將改變我們控制遙控人形機器人的方式。”

金和拉莫斯將繼續努力開發一種具有類似平衡控制的全身人形生物,以便有一天可以飛馳穿越災區并上升以推開障礙物,作為救援或搶救任務的一部分。

金說:“現在,通過適當的平衡通訊,我們可以打開沉重的門或舉起重物。”

這項研究得到了鴻海精密工業有限公司和Naver Labs Corporation的部分支持。

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