一種在四足機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健運(yùn)動(dòng)的新方法

機(jī)器人研究的主要挑戰(zhàn)之一是開發(fā)有效且靈活的控制系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠在各種環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航并處理意外事件。奧斯陸大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種用于穩(wěn)健的四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的演化體現(xiàn)相位協(xié)調(diào)技術(shù)。他們的工作在arXiv上發(fā)表，部分由挪威研究理事會(huì)贊助。

“對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，激勵(lì)因素是觀察到我們?cè)诜抡嬷杏?xùn)練的一些機(jī)器人行為在真實(shí)機(jī)器人上進(jìn)行測(cè)試后無(wú)法正常運(yùn)行，”參與該研究的研究人員之一JørgenNordmoen告訴TechXplore。“這種觀察是眾所周知的挑戰(zhàn)，通常被稱為'現(xiàn)實(shí)差距'，我們希望看看使用傳感器數(shù)據(jù)是否有助于克服這一挑戰(zhàn)。”

為了有效減少機(jī)器人研究中經(jīng)常出現(xiàn)的“現(xiàn)實(shí)差距”，Nordmoen和他的同事希望將中央模式發(fā)生器(CPG)與機(jī)器人身體和傳感器的反饋結(jié)合起來(lái)。CPG是在機(jī)器人中產(chǎn)生節(jié)奏波動(dòng)或運(yùn)動(dòng)模式的常用方法，可用作運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。人工CPG受到動(dòng)物脊髓的啟發(fā)，已知?jiǎng)游锏募顾璋跊]有感覺信息的情況下產(chǎn)生節(jié)律信號(hào)的神經(jīng)元。

“CPG的培訓(xùn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是，它們本身并不包含有關(guān)外部世界的任何信息，”Nordmoen說(shuō)。“我們的主要目標(biāo)是看看我們是否能夠成功地將復(fù)雜的CPG網(wǎng)絡(luò)與具體的相位協(xié)調(diào)相結(jié)合，并且如果傳感器數(shù)據(jù)的整合可以改善機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中的表現(xiàn)。”

體現(xiàn)相位協(xié)調(diào)技術(shù)通過(guò)感測(cè)機(jī)器人在其每個(gè)腳中施加的壓力來(lái)工作，使用該測(cè)量來(lái)控制其腿的同步。在他們的研究中，研究人員采用了一種稱為TEGOTAE的簡(jiǎn)約方法，該方法使用傳感器反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腿之間的緊急相位耦合。

通常，在有腿的機(jī)器人中，每條腿明確地與其他腿協(xié)調(diào)，這意味著腿總是知道其他腿的相對(duì)位置。相比之下，在Nordmoen及其同事設(shè)計(jì)的具體階段協(xié)調(diào)方法中，每條腿與其他腿分離，身體本身隱含地強(qiáng)制腿之間的同步。研究人員添加的足壓傳感器可實(shí)現(xiàn)隱式同步，最終增強(qiáng)機(jī)器人的協(xié)調(diào)性。

“我們的方法使用比其他方法更復(fù)雜的CPG，利用體現(xiàn)相位協(xié)調(diào)并在更復(fù)雜的機(jī)器人上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，”Nordmoen說(shuō)。“此外，我們使用進(jìn)化優(yōu)化算法訓(xùn)練CPG ，它與體現(xiàn)的相位協(xié)調(diào)一起允許步行節(jié)奏自動(dòng)適應(yīng)機(jī)器人和環(huán)境。”

(a)顯示了標(biāo)有關(guān)節(jié)的機(jī)器人腿的視覺表示。(b)顯示關(guān)節(jié)0和關(guān)節(jié)1的示例控制曲線，而(c)顯示關(guān)節(jié)2的示例控制曲線。信用：Nordmoen等。

在他們的研究中，研究人員將他們的方法應(yīng)用于DyRET，這是一種具有哺乳動(dòng)物形態(tài)的四足機(jī)器人。他們首先在模擬中訓(xùn)練四足機(jī)器人，然后將他們的測(cè)試轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界，以驗(yàn)證訓(xùn)練是否有效。這允許他們?cè)趯⑵鋺?yīng)用于真實(shí)場(chǎng)景之前評(píng)估他們的技術(shù)，而不會(huì)對(duì)機(jī)器人造成損害。

“實(shí)際上，我們的工作可能會(huì)導(dǎo)致腿部機(jī)器人更好地適應(yīng)周圍環(huán)境，從而處理不同的環(huán)境，”Nordmoen說(shuō)。“這包括促進(jìn)機(jī)器人控制器從模擬到現(xiàn)實(shí)世界的轉(zhuǎn)移。正如我們?cè)谡撐闹兴鶎?，有腿機(jī)器人有可能幫助用戶的條款，與輪式機(jī)器人相比，用戶需要進(jìn)行調(diào)整。 “

Nordmoen及其同事設(shè)計(jì)的技術(shù)可以促進(jìn)具有更強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)技能的機(jī)器人的發(fā)展。在未來(lái)，其他研究人員可以將該方法整合到他們的機(jī)器人中，或者從這項(xiàng)研究中汲取靈感，以開發(fā)類似的技術(shù)。根據(jù)Nordmoen的說(shuō)法，將傳感器反饋整合到腿式機(jī)器人中的困難以及這種新的體現(xiàn)相位協(xié)調(diào)方法的簡(jiǎn)單性可能是未來(lái)研究的一個(gè)很好的起點(diǎn)。

“我們目前正致力于更好地理解體現(xiàn)相位協(xié)調(diào)的機(jī)制，”他補(bǔ)充說(shuō)。“這有望使我們能夠改進(jìn)概念并產(chǎn)生更好的運(yùn)動(dòng)策略。此外，我們希望看到如果機(jī)器人本身發(fā)生變化，如何影響體現(xiàn)的相位協(xié)調(diào)。通過(guò)我們獨(dú)特的機(jī)器人DyRET，我們有能力改變機(jī)器人的形態(tài)，可以測(cè)試這些變化將如何影響我們的方法。“