Двуногий робот имитирует человеческое равновесие во время бега и прыжков
Новая система управления может позволить гуманоидным роботам выполнять тяжелые подъемные и другие физически сложные задачи

Спасение жертв из горящего здания, разлива химических веществ или любой катастрофы, которая недоступна для людей-ответчиков, может однажды стать миссией для устойчивых, адаптируемых роботов. Представьте себе, например, спасательных роботов, которые могут перепрыгивать перелазить через завалы на четвереньках, а затем подниматься на двух ногах, чтобы оттолкнуть тяжелое препятствие или прорваться через запертую дверь.

Инженеры делают большие успехи в разработке четвероногих роботов и их способности бегать, прыгать и даже делать обратные сальто. Но получение двуногих, гуманоидных роботов, чтобы приложить силу или толкнуть что-то без падения, было значительным камнем преткновения.

Сейчас инженеры Массачусетского технологического института и Иллинойского университета в Урбане-Шампейне разработали метод управления балансом в двуногом телеуправляемом роботе - важный шаг к тому, чтобы гуманоид мог выполнять сложные задачи в сложных условиях.

Робот команды, физически напоминающий обработанный торс и две ноги, управляется дистанционно оператором-человеком, одетым в жилет, который передает информацию о движении человека и наземных реактивных силах роботу.

Через жилет оператор-человек может одновременно управлять движением робота и чувствовать его движения. Если робот начинает переворачиваться, человек чувствует соответствующее натяжение жилета и может настроить таким образом, чтобы восстановить баланс как себя, так и, синхронно, робота.

В экспериментах с роботом, чтобы проверить этот новый подход "обратной связи по балансу", исследователи смогли удаленно поддерживать баланс робота, когда он прыгал и ходил на месте синхронно со своим человеком-оператором.

"Это похоже на бег с тяжелым рюкзаком - вы можете почувствовать, как динамика рюкзака движется вокруг вас, и вы можете правильно компенсировать", - говорит Жоао Рамос, который разработал подход в качестве постдока MIT. -Теперь, если вы хотите открыть тяжелую дверь, человек может приказать роботу бросить свое тело на дверь и толкнуть ее, не теряя равновесия."

Рамос, который в настоящее время является ассистентом профессора в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн, подробно описал подход в исследовании, появляющемся в научной робототехнике . Его соавтором по исследованию является Сангбэ Ким, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института.

Больше чем движение

Ранее Ким и Рамос построили двуногого робота HERMES (для высокоэффективных роботизированных механизмов и электромеханической системы) и разработали методы для него, чтобы имитировать движения оператора с помощью телеоперации, подход, который, как говорят исследователи, имеет определенные гуманистические преимущества.

"Поскольку у вас есть человек, который может учиться и адаптироваться на лету, робот может выполнять движения, которые он никогда не практиковал раньше [с помощью телеоперации]", - говорит Рамос.

В демонстрациях Гермес налил кофе в чашку, размахивал топором, чтобы колоть дрова, и обращался с огнетушителем, чтобы потушить огонь.

Все эти задачи включали верхнюю часть тела робота и алгоритмы для того чтобы сопрягать располагать лимба робота с тем из своего оператора. HERMES смогло унести ударопрочные движения потому что робот был укоренен в месте. Равновесие, в этих случаях, было гораздо проще поддерживать. Однако если бы от робота требовалось предпринять какие-либо шаги, он, скорее всего, опрокинулся бы, пытаясь имитировать движения оператора.

"Мы поняли, что для того, чтобы генерировать высокие силы или перемещать тяжелые объекты, просто копировать движения будет недостаточно, потому что робот будет падать легко", - говорит Ким. "Нам нужно было скопировать динамическую уравновешенность оператора."

Входит маленький Гермес, миниатюрная версия Гермеса, которая составляет около трети размера среднего взрослого человека. Команда спроектировала робота как просто туловище и две ноги, а также разработала систему специально для тестирования задач нижней части тела, таких как локомоция и баланс. Как и его полнотелый аналог, Little HERMES предназначена для телеоперации, с оператором, одетым в жилет, чтобы контролировать действия робота.

Чтобы робот мог копировать баланс оператора, а не только его движения, Команда должна была сначала найти простой способ представления баланса. Рамос в конце концов понял, что равновесие может быть сведено к двум основным компонентам: центру масс человека и центру его давления-в основном, точке на земле, где действует сила, эквивалентная всем поддерживающим силам.

Расположение центра масс по отношению к центру давления, как обнаружил Рамос, напрямую связано с тем, насколько уравновешен человек в любой данный момент времени. Он также обнаружил, что положение этих двух компонентов можно физически представить в виде перевернутого маятника. Представьте себе, что вы раскачиваетесь из стороны в сторону, оставаясь прикованным к одному и тому же месту. Этот эффект похож на раскачивание перевернутого маятника, верхний конец которого представляет собой центр масс человека (обычно в туловище), а нижний-его центр давления на землю.

Тяжелая работа

Чтобы определить, как центр масс соотносится с центром давления, Рамос собрал данные о движении человека, включая измерения в лаборатории, где он раскачивался взад и вперед, ходил на месте и прыгал на силовую пластину, которая измеряла силы, которые он оказывал на Землю, поскольку положение его ног и туловища было записано. Затем он сгустил эти данные в измерения центра масс и Центра давления и разработал модель, чтобы представить их по отношению друг к другу, как перевернутый маятник.

Затем он разработал вторую модель, аналогичную модели для человеческого баланса, но масштабированную до размеров меньшего, более легкого робота, и он разработал алгоритм управления, чтобы связать и включить обратную связь между этими двумя моделями.

Исследователи протестировали эту модель обратной связи баланса, сначала на простом перевернутом маятнике, который они построили в лаборатории, в виде луча примерно такой же высоты, как маленький Гермес. Они подсоединили луч к своей телеоперационной системе, и он раскачивался взад и вперед вдоль трассы в ответ на движения оператора. Когда оператор качнулся в сторону, Луч сделал то же самое-движение, которое оператор также мог чувствовать через жилет. Если бы луч качался слишком далеко, оператор, чувствуя тягу, мог бы наклониться в другую сторону, чтобы компенсировать это, и держать луч сбалансированным.

Эксперименты показали, что новая модель обратной связи может работать для поддержания равновесия на балке, поэтому исследователи затем попробовали эту модель на маленьком Гермесе. Они также разработали алгоритм для робота, чтобы автоматически перевести простую модель баланса на силы, которые каждая из его ног должна была бы генерировать, чтобы скопировать ноги оператора.

В лаборатории Рамос обнаружил, что, надевая бронежилет, он может не только контролировать движения робота и сохранять равновесие, но и чувствовать его движения. Когда по роботу ударили молотком с разных сторон, Рамос почувствовал, как жилет дернулся в направлении движения робота. Рамос инстинктивно сопротивлялся рывку, который робот зарегистрировал как тонкое смещение центра масс относительно центра давления, которому он в свою очередь подражал. В результате робот смог удержаться от опрокидывания, даже несмотря на неоднократные удары по его телу.

Маленький Гермес также подражал Рамосу в других упражнениях, включая бег и прыжки на месте, а также ходьбу по неровной земле, все это время сохраняя равновесие без помощи привязей или опор.

"Обратная связь баланса-это трудная вещь, чтобы определить, потому что это то, что мы делаем, не думая", - говорит Ким. "Это первый раз, когда обратная связь баланса правильно определена для динамических действий. Это изменит то, как мы управляем телеуправляемым гуманоидом."

Ким и Рамос будут продолжать работать над созданием полнотелого гуманоида с аналогичным контролем баланса, чтобы в один прекрасный день иметь возможность проскакать через зону бедствия и подняться, чтобы отодвинуть барьеры в рамках спасательных или спасательных миссий.

"Теперь мы можем сделать тяжелое открытие двери или поднимать или бросать тяжелые предметы, с правильной связью баланса", - говорит Ким.

 

Источник Истории:

Материалы предоставлены Массачусетским Технологическим институтом . Оригинал написан Дженнифер Чу. Примечание: содержание может быть отредактировано для стиля и длины.