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平衡反馈将双足机器人的准确性提升到一个新的水平

互动 2021-08-25 06:03:25

新的控制系统可以使人形机器人执行繁重的工作和其他体力要求高的任务。

为了拯救活着的建筑,适应性机器人的任务可能是从烧毁的建筑、化学品泄漏或任何人类无法应对的灾难中拯救受害者。例如,想象一下,一个救援机器人可以用四肢在瓦砾中行走,然后用两条腿站起来,推开一个沉重的障碍物,或者冲破一扇锁着的门。

平衡反馈将两足机器人的精度提高到一个新水平

工程师们在四足机器人的设计及其跑、跳甚至后空翻的能力方面取得了很大的进步。但对于双足类人机器人来说,用力或推物体而不摔倒始终是一个重要的绊脚石。

现在,麻省理工学院和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工程师们开发出了一种控制双足遥控机器人平衡的方法,这是使人形动物能够在具有挑战性的环境中执行高冲击力任务的重要一步。

平衡反馈将两足机器人的精度提高到一个新水平

该团队的机器人在物理上类似于机械加工的躯干和两条腿,由一名穿着背心的操作员远程控制,该操作员将人类运动和地面反作用力的信息传输给机器人。

通过背心,操作者不仅可以指挥机器人的运动,还可以感受机器人的运动。如果机器人开始翻倒,人们会觉得背心被相应地拉了一下,他们可以调整来重新平衡自己和机器人。

在用机器人测试这种新的“平衡反馈”方法的实验中,研究人员可以远程保持机器人的平衡,因为它与人类操作员同步跳跃和行走。

“这就像背着沉重的背包跑步——你可以感受到背包的力量如何在你周围移动,它可以得到适当的补偿,”麻省理工学院博士后研究员若昂拉莫斯说。“现在,如果你想打开一扇沉重的门,人类可以命令机器人把身体扔在门口,然后在不失去平衡的情况下把它推开。”

拉莫斯现在是伊利诺伊大学香槟分校的助理教授。他在今天出现在《科学机器人》的一项研究中详细介绍了这种方法。他的研究合著者是麻省理工学院机械工程副教授金相培。

不仅仅是运动

此前,Kim和Ramos建造了双足机器人HERMES(用于高效机器人机构和机电系统),并开发了一种通过远程操作模仿操作者动作的方法。研究人员表示,这种方法具有一定的人文优势。

拉莫斯说:“因为有一个人可以实时学习和适应,机器人可以执行以前从未经历过的动作(通过远程操作)。”

演示过程中,HERMES将咖啡倒入杯中,用斧头劈柴,用灭火器灭火。

所有这些任务都涉及机器人的上半身以及将机器人的肢体位置与其操作者的肢体位置相匹配的算法。HERMES能够执行高冲击力的动作,因为机器人扎根在原地。在这种情况下,保持平衡要容易得多。然而,如果机器人被要求采取任何步骤,它可能会试图模仿操作者的动作。

金说:“我们意识到,为了产生强大的力量或移动重物,仅仅复制动作是不够的,因为机器人很容易脱落。“我们需要复制运营商的动态平衡。”

进入小HERMES,它是HERMES的微缩版,大概是普通成年人的三分之一。该团队将机器人设计成一个简单的躯干和两条腿,并专门设计了测试下半身任务的系统,如运动和平衡。像它的全身产品一样,小HERMES是专门为远程操作设计的。操作员穿着背心,可以控制机器人的动作。

为了让机器人复制操作员的平衡,而不仅仅是他们的动作,团队必须首先找到一种简单的方式来表达平衡。拉莫斯最终意识到,平衡可以分解为两个主要因素:一个人的质心和他们的压力中心——基本上,一个力等于所有支撑力施加在地面上的点。

拉莫斯发现,质心相对于压力中心的位置直接关系到人在任何给定时间的平衡。他还发现,这两个分量的位置可以用物理学中的倒立摆来表示。想象一下在同一个地方扎根时左右摇摆。这种效果类似于倒立摆的摆动,顶部代表质心(通常在躯干),底部代表地面的压力中心。

举重

为了定义质心和压力中心之间的关系,拉莫斯收集了人体运动数据,包括实验室中的测量结果。他前后摆动,走到位置,然后跳上测力板,测力板测量他施加在地面上的力,因为他的脚和躯干的位置被记录下来。然后,他将数据压缩成质心和压力中心的测量值,并开发了一个模型来表达它们之间的关系,即倒立摆。

然后他开发了第二个模型,

类似于用于人类平衡的模型,但缩放到了更小,更轻的机器人的尺寸,并且他开发了控制算法,以链接并启用两个模型之间的反馈。

研究人员首先在他们在实验室中建立的简单的倒立摆上测试了这种平衡反馈模型,其形式是与Little HERMES高度相同的光束。他们将光束连接到其远程操作系统,并根据操作员的运动沿轨道来回摆动。当操作员向一侧倾斜时,横梁也照做-操作员也可以通过背心感觉到这一动作。如果光束摇摆得太远,操作者会感觉到拉力,可以倾斜另一种方式进行补偿,并保持光束平衡。

实验表明,新的反馈模型可以保持光束的平衡,因此研究人员随后在Little HERMES上尝试了该模型。他们还为机器人开发了一种算法,可以自动将简单的平衡模型转换为每个脚都要产生的力,以复制操作员的脚。

在实验室中,拉莫斯发现他穿着背心时,不仅可以控制机器人的运动和平衡,而且还可以感觉到机器人的运动。当用锤子从各个方向击打机器人时,拉莫斯感到背心向机器人移动的方向倾斜。拉莫斯本能地抵抗了拖船,该拖船被机器人记录为质心相对于压力中心的细微变化,而拖拉又被模仿。结果是,即使在反复撞击身体的情况下,该机器人也能够防止翻倒。

平衡反馈将两足机器人的精度提高到一个新水平

Little HERMES还在其他练习中模仿了Ramos,包括在原地奔跑和跳跃,在不平坦的地面上行走,同时无需借助系绳或支撑就能保持平衡。

Kim说:“平衡反馈是很难定义的,因为这是我们不加考虑的事情。” “这是为动态动作正确定义平衡反馈的第一次。这将改变我们控制遥控人形生物的方式。”

金和拉莫斯将继续努力开发一种具有类似平衡控制的全身人形生物,以便有一天可以飞驰穿越灾区并上升以推开障碍物,作为救援或抢救任务的一部分。

金说:“现在,我们可以通过适当的平衡通讯来开重型门,举起或扔重物。”

这项研究得到了鸿海精密工业有限公司和Naver Labs Corporation的部分支持。

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