Чтобы быть полезными людям, роботам нужно научиться ходить так же, как мы
Роботы уже много десятилетий могут ходить на двух ногах.
Сегодня самые продвинутые роботы-гуманоиды могут ходить по плоским и наклонным поверхностям, подниматься и спускаться по ступенькам и перемещаться по пересеченной местности.
Некоторые даже умеют прыгать.
Но, несмотря на этот прогресс, роботы с ногами все еще не могут сравниться по ловкости, эффективности и надежности с людьми и животными.
Существующие шагающие роботы потребляют энергию и тратят слишком много времени на обучение.
Слишком часто они выходят из строя и ломаются.
Чтобы стать роботами-помощниками, о которых мы давно мечтали, этим машинам придется научиться ходить так же, как мы.
Нам обязательно нужно создавать роботов с ногами, потому что наш мир создан для ног.
Проходим через труднодоступные места, объезжаем препятствия, поднимаемся и спускаемся по лестнице.
Роботам на колесах или гусеницах сложно передвигаться в тех местах, которые мы приспособили под свои тела.
И у многих роботов-гуманоидов действительно есть ноги, похожие на наши — бедра, колени, лодыжки и ступни.
Но на этом сходство заканчивается.
Если, например, сравнить силу, с которой робот давит на землю, с силой человека, то окажется, что они часто сильно различаются.
Большинство роботов-гуманоидов, произошедших от ранних образцов промышленных роботов-захватов, управляют конечностями так, что они двигаются точно по заданным траекториям.
Однако двуногое передвижение требует контроля силы, а не контроля положения, и предполагает широкий диапазон гибкости и эластичности, известный в робототехнике как податливость, чтобы справиться с неожиданными контактами.
Многие исследовательские группы пытаются создать менее жестких роботов, которые смогут двигаться более динамично, подобно человеку.
Самым известным среди подобных проектов, вероятно, станет Атлас от Бостон Динамикс , гуманоид, способный бегать по твердой и мягкой почве, прыгать через бревна и даже делать сальто назад. Но опять же, когда мы сравниваем движение самых сложных роботов с животными, мы видим, что машины не дотягивают. Чего нам не хватает? Технологии — не самая большая проблема: двигатели достаточно мощные, материалы достаточно прочные, компьютеры достаточно быстрые.
Ограничением, по-видимому, является наше понимание того, как работает ходьба.
Роботы Кэсси (слева) и Цифра от Agility Robotics
В Лаборатории динамической робототехники Университета Орегона я возглавлял группу исследователей, пытавшихся понять основные принципы ходьбы и применить эти открытия к роботам.
Я также являюсь соучредителем и техническим директором компании.
Ловкость Робототехника , стартап из Олбани, штат Орегон, изучающий коммерциализацию шагающих роботов.
В 2017 году мы представили миру Кэсси — двуногую платформу, которую продали нескольким исследовательским группам.
Вскоре наш новый робот сможет выйти в мир: ноги у Дигита похожи на ноги Кэсси, но у него есть датчики и пара рук, которые он использует для стабилизации и, в будущем, манипуляций.
И в лаборатории, и как компания мы работаем над созданием будущего, в котором роботы смогут перемещаться везде, где могут люди.
Я верю, что роботы с динамическими ногами однажды смогут помогать пожилым людям в их домах, участвовать в спасательных операциях во время пожаров и землетрясений и доставлять посылки на дом.
Роботы с ногами также позволят создавать экзоскелеты и протезы, которые помогут повысить мобильность людей с ограниченными возможностями.
Наконец-то они воплотят роботов из научной фантастики в реальность.
Некоторые птицы бегают лучше, чем летают, а то и вовсе не летают. Страусы, индейки, цесарки и перепела не могут парить, как ястреб, а быстро передвигаются пешком.
Мои коллеги по лаборатории и я вместе с Моникой Дейли из Королевского ветеринарного колледжа Лондонского университета провели бесчисленные часы, наблюдая, как птицы ходят и бегают по лаборатории.
Мы хотим понять, как эти животные способны так быстро и эффективно передвигаться – а ведь большинство этих пернатых машин приводятся в движение семенами! В одном эксперименте цесарка бежит по дорожке, а затем наступает на яму, замаскированную куском салфетки.
Животное не знало, что оно ступит в яму примерно на половину длины своей ноги, но оно не споткнулось, а его нога вытянулась и приспособилась к яме во время бега.
При этом происходит нечто примечательное: мозгу птицы не нужно чувствовать возмущение и реагировать на него, поскольку его ноги справятся с этим сами.
Это дает важную идею для разработчиков роботов: если вы сначала создадите робота, а затем решите запрограммировать его на ловкое движение, у вас ничего не получится.
Как и в случае с цесаркой, большая часть маневренности робота будет зависеть от механических свойств его тела, которые робототехники называют пассивной динамикой.
И этим пренебрегают в большинстве проектов по разработке ножных роботов.
Тщательно развивая пассивную динамику робота параллельно с его программным обеспечением, объединяя их в единую систему, вы увеличиваете шансы создать робота, приближающегося по характеристикам к животному.
Стоит отметить, что, хотя мы черпаем вдохновение у животных, мы не копируем форму птичьей стопы или конструкцию мышц и костей человеческой ноги.
Мы хотим понять физику движения животных и вывести на ее основе абстрактную математическую модель, которую можно будет понять, протестировать с помощью компьютерного моделирования и реализовать на реальных роботах.
Поскольку для создания роботов мы используем металл и электронику вместо костей и мозга, они могут сильно отличаться от животных, сохраняя при этом ту же физику.
Одна из простейших математических моделей описывает точечную массу (туловище), соединенную с парой идеальных пружин (ног).
Эта модель пружинной массы, конечно, упрощена; он напоминает тире человека и не учитывает ни наличие суставов в ногах, ни то, что ступни не касаются земли в отдельных точках.
Однако модель весенних масс может дать неожиданные результаты.
В симуляциях он может воспроизводить почти все походки, которыми пользуются люди и животные при ходьбе и беге.
Первые шаги: ноги робота ATRIAS не похожи на человеческие, но это была первая машина, продемонстрировавшая человеческую походку
Для тестирования модели пружинной массы мы разработали двуногого робота.
ПРЕДПРИЯТИЯ , имя которого является аббревиатурой нашего основного предположения: Предположим, что робот представляет собой сферу.
[представим, что робот — это сфера].
Идея заключалась в том, чтобы пассивная динамика робота могла максимально точно воссоздать модель точечной массы с пружинящими ногами.
Каждая ножка изготовлена из легких стержней из углеродного волокна, собранных в параллелограмм, известный как четырехстержневой шарнир.
Похожая структура минимизирует массу ножек и их инерцию, приближая систему к пружинно-массовой модели.
Верхнюю часть ножек мы оснастили пружинами из стекловолокна, которые физически реализуют «пружину» модели, справляются с ударами о землю и накапливают механическую энергию.
Атриас поначалу едва мог стоять, поэтому мы поддержали его ремнями безопасности.
Но мы усовершенствовали контроллер, отслеживающий скорость и наклон тела, и робот сначала начал делать первые шаги, а затем свободно ходить по лаборатории.
Затем ATRIAS научился восстанавливаться после нарушений — в одном эксперименте мои ученики бросали в него мячи.
Мы также вывезли ATRIAS на университетское футбольное поле, разогнали его до максимальной скорости 7,6 км/ч, а затем быстро остановили.
Чтобы лучше понять, что делает робот, представьте, что вы с завязанными глазами ходите на ходулях, обернув туловище ковром и не можете использовать руки для равновесия.
Вам остается только двигаться дальше – так и поступил ATRIAS. Он мог даже преодолевать препятствия, например, кучу дерева на своем пути.
И хотя гибкость была важна, энергоэффективность также была очень важна.
Мы подтвердили эффективность робота, измерив параметр, известный как стоимость движения [ стоимость транспорта , СОТ].
Он определяется как отношение энергопотребления (мощности) к весу, умноженному на скорость, и используется для сравнения энергоэффективности движущихся животных и машин.
Чем ниже COT, тем лучше.
Для шагающего человека COT равен 0,2, а вот для обычного робота-гуманоида этот показатель значительно выше – от 2 до 3, по данным некоторый Наверное .
Наши эксперименты показал Этот ATRIAS в режиме ходьбы имеет COT 1,13, что демонстрирует эффективность динамические роботы.
Действительно, питаясь от нескольких литий-полимерных батарей — тех, что используются в радиоуправляемых автомобилях, — ATRIAS мог работать около часа.
Мы также измерил силу , которым робот давит на землю.
Мы поместили ATRIAS массой 72,5 кг (размером примерно со среднестатистического человека) на силовую платформу — инструмент, часто используемый в спортивной медицине для оценки походки человека путем измерения силы реакции.
Пока робот шел, мы записывали данные о силе.
Потом место Атриаса занял один из моих учеников и мы записали его шаги.
Построив зависимость реакции опоры от времени, мы увидели, что она точно совпадает с графиком робота.
Насколько нам известно, на сегодняшний день это наиболее реалистичная реализация динамики человеческой походки в роботах.
Результаты подтвердили, что простая динамическая пружинно-массовая система может быть реализована в роботе.
Он обладает многими полезными свойствами, такими как эффективность, надежность и гибкость, и играет важную роль в ходьбе.
Пришло время создать следующего робота.
Для перемещения по труднопроходимой местности Кэсси использует пять моторов и две пружины на каждой ноге.
Кэсси, как и Атриас, — динамичный шагающий робот. Мы оптимизировали каждый аспект его конструкции, чтобы создать надежного и способного робота, пригодного для коммерциализации.
И мы установили высокую планку: мы хотели, чтобы Кэсси могла бегать по лесу, ходить по пересеченной местности и часами работать от батареи без подвеса.
Кэсси основана на тех же концепциях, что и ATRIAS, но мы решили дать ей совершенно новые ноги.
Раньше мы использовали два двигателя для питания каждой четырехбалочной машины на каждой ноге.
Такая схема минимизирует их массу, но есть и недостаток: при ходьбе один мотор тормозил другой, что приводило к потерям энергии.
Работая над Кэсси, мы изучал другие конфигурации ног для устранения этого эффекта.
Новый дизайн позволяет уменьшить размеры двигателей, что делает робота еще более эффективным, чем ATRIAS. Важно отметить, что конфигурация ног Кэсси стала результатом этого анализа.
Что нога похожа на страусиную или другую теропод , может указывать на то, что мы на правильном пути, но мы не пытались создать робота, который, покрытый перьями, мог бы затеряться в стае эму.
Каждая нога Кэсси имеет пять осей движения (или степеней свободы, на языке робототехники) и каждая управляется отдельным двигателем.
Бедра имеют три степени свободы, как и наши, что позволяет ноге вращаться в любом направлении.
Два других мотора имеют оси в колене и стопе.
У Кэсси есть дополнительные степени свободы в голени и лодыжке; они пассивны и не управляются моторами, а прикреплены к пружинам, что позволяет роботу передвигаться по труднопроходимой местности, с которой не могут справиться плосконогие гуманоиды.
Для новых ног Кэсси требовался более сложный низкоуровневый контроллер, чем у ATRIAS. ATRIAS удлинил ногу, просто приложив равные и противоположные крутящие моменты от обоих двигателей.
Для Кэсси перемещение ноги в определенном направлении требует расчета разных крутящих моментов для разных двигателей.
Для этого контроллер должен учитывать инерцию ног и динамику моторов и редукторов.
Контроллер Кэсси использует запланированные шаги и динамическую балансировку.
Да, задача контролера усложнилась, но этот метод позволяет более эффективно ходить и расширять диапазон поведения.
Кэсси может ходить со скоростью до 5 км/ч, используя один из первых контроллеров.
Потребляемая мощность варьируется от 100 Вт (стоя) до 300 Вт (в движении), и он может работать в течение 5 часов от литий-ионной батареи.
Новые ноги также позволяют Кассии маневрировать так, как не мог Атриас.
А благодаря мотору в суставе стопы она может стоять без необходимости постоянно двигаться, как это делал Атриас.
Кэсси тоже весит всего 31 кг, вдвое меньше, чем Атриас.
Две Кэсси можно загрузить в багажник автомобиля менее чем за минуту.
Также он более надежен: его детали изготовлены из алюминия и углепластика, а защитный корпус – из прочного акрил-поливинилхлоридного пластика, предохраняющего от ударов и падений.
Пока что Кэсси не может бегать по лесу.
Но мы вывезли ее на улицу, без страховки, и она ходит по земле, траве и опавшим листьям.
В настоящее время мы изучаем интеграцию динамического поведения робота с планирование движения , что позволяет ей, например, подниматься по лестнице.
Мы также работаем над еще одной функцией, которая сделает таких роботов, как Кэсси, более полезными: руками.
У Дигита есть ноги, как у Кэсси, но у него также есть туловище с датчиками внутри и пара рук, которые помогают ему двигаться и сохранять равновесие.
Дигит является прямым потомком Кэсси.
У него похожие ноги, но мы добавили туловище с датчиками внутри и пару рук.
Они специально созданы, чтобы помочь ему двигаться и сохранять равновесие, а также качаться при походке.
Они также позволяют Диджиту поддерживать себя при падении и переориентировать его тело, чтобы встать.
У Диджита есть еще кое-что, чего нет у Кэсси: встроенное восприятие.
Мы оснастили его множеством датчиков, включая лидар на верхней части тела.
Датчики помогают ему собирать данные, позволяя роботу перемещаться по миру, полному препятствий, таких как захламленные комнаты и лестницы, и полагаться на стабильную динамику только в непредвиденных ситуациях и ошибках датчиков.
Диджиту и роботу с ногами, который придет за ним, еще предстоит многому научиться.
Но мы убеждены, что они изменят мир.
Их влияние может соперничать с влиянием автомобилей в изменении образа жизни людей, моделей дорожного движения и планировки городов, где эти роботы обещают преобразовать логистику и доставку посылок.
В не столь отдаленном будущем, когда появятся беспилотные автомобили, производители автомобилей и компании по совместному использованию поездок, такие как Lyft и Uber, будут иметь огромные парки автомобилей для перевозки людей с пиковым трафиком в час пик, как и сегодня.
Но что будут делать эти машины поздно ночью и среди дня? Они могут не простаивать, а доставлять посылки с автоматических складов до вашей двери.
Однако эти машины смогут доехать только до обочины — без человека доставить посылку до двери довольно сложно.
И здесь в игру вступают шагающие роботы.
Они проедут на этих машинах и пройдут последние несколько метров.
И хотя колеса и крылья могут выполнять некоторые из этих ролей, в мире, предназначенном для двуногих, ни одна другая платформа для передвижения не будет такой гибкой, как робот с ногами.
Цифра учится ходить по разной местности и подниматься по лестнице, чтобы однажды иметь возможность доставлять посылки прямо к двери.
Роботы-доставщики станут частью все более автоматизированной логистической системы, где посылки от производителя доставляются прямо к вашей двери.
Эта система снизит затраты на доставку, так что доставлять посылки будет дешевле, чем покупать их на больших, хорошо освещенных, отапливаемых складах с доступом людей.
Мелкооптовые магазины станут ненужными.
Люди, безусловно, смогут получить удовольствие от покупок некоторых вещей.
Но роботы будут доставлять ваши ежедневные продукты, экономя ваше время и деньги.
Двуногие роботы смогут проникать в наши дома и офисы.
Они могут ходить по ступенькам и в людных местах, взаимодействовать с людьми на безопасном уровне глаз и в человеческом масштабе, позволяя нам достойно стареть в наших домах.
Они помогут переносить вещи и будут работать как устройства телеприсутствия, позволяя членам семьи и друзьям использовать робота для удаленного общения с людьми и составления им компании.
Роботы на ногах смогут проникать в места, где находиться людям опасно.
Они будут прыгать с парашютом на лесные пожары, чтобы собирать данные в режиме реального времени, забегать в горящие здания в поисках жителей и проникать в районы стихийных бедствий, такие как атомная электростанция Фукусима, для исследования труднодоступных районов.
Они будут регулярно осматривать внутренности плотин гидроэлектростанций и заброшенных шахт, чтобы нам не приходилось этого делать.
Чтобы попасть в это будущее, нам нужно решить множество проблем.
Но я убежден, что сообщество робототехники сможет сделать эту технологию практичной.
Это будет один маленький шаг для робота и гигантский скачок для всего человечества.
Теги: #разработка робототехники #искусственный интеллект #шагающие роботы
-
«Консольные Войны»: Sega Против Nintendo
19 Oct, 24 -
Роли, Их Моделирование В Ис
19 Oct, 24 -
Мобилизация 2.0
19 Oct, 24 -
Gamlist — Ваш Список Игр
19 Oct, 24
