一種在四足機器人中實現(xiàn)穩(wěn)健運動的新方法

機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)，使機器人能夠在各種環(huán)境中進行導航并處理意外事件。奧斯陸大學的研究人員最近開發(fā)了一種用于穩(wěn)健的四足機器人運動的演化體現(xiàn)相位協(xié)調技術。他們的工作在arXiv上發(fā)表，部分由挪威研究理事會贊助。

“對于我們來說，激勵因素是觀察到我們在仿真中訓練的一些機器人行為在真實機器人上進行測試后無法正常運行，”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)實差距'，我們希望看看使用傳感器數(shù)據是否有助于克服這一挑戰(zhàn)。”

為了有效減少機器人研究中經常出現(xiàn)的“現(xiàn)實差距”，Nordmoen和他的同事希望將中央模式發(fā)生器(CPG)與機器人身體和傳感器的反饋結合起來。CPG是在機器人中產生節(jié)奏波動或運動模式的常用方法，可用作運動的基礎。人工CPG受到動物脊髓的啟發(fā)，已知動物的脊髓包含在沒有感覺信息的情況下產生節(jié)律信號的神經元。

“CPG的培訓相對簡單，但是，它們本身并不包含有關外部世界的任何信息，”Nordmoen說。“我們的主要目標是看看我們是否能夠成功地將復雜的CPG網絡與具體的相位協(xié)調相結合，并且如果傳感器數(shù)據的整合可以改善機器人在現(xiàn)實世界中的表現(xiàn)。”

體現(xiàn)相位協(xié)調技術通過感測機器人在其每個腳中施加的壓力來工作，使用該測量來控制其腿的同步。在他們的研究中，研究人員采用了一種稱為TEGOTAE的簡約方法，該方法使用傳感器反饋來實現(xiàn)機器人腿之間的緊急相位耦合。

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

“我們的方法使用比其他方法更復雜的CPG，利用體現(xiàn)相位協(xié)調并在更復雜的機器人上進行實驗，”Nordmoen說。“此外，我們使用進化優(yōu)化算法訓練CPG ，它與體現(xiàn)的相位協(xié)調一起允許步行節(jié)奏自動適應機器人和環(huán)境。”

(a)顯示了標有關節(jié)的機器人腿的視覺表示。(b)顯示關節(jié)0和關節(jié)1的示例控制曲線，而(c)顯示關節(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用于DyRET，這是一種具有哺乳動物形態(tài)的四足機器人。他們首先在模擬中訓練四足機器人，然后將他們的測試轉移到現(xiàn)實世界，以驗證訓練是否有效。這允許他們在將其應用于真實場景之前評估他們的技術，而不會對機器人造成損害。

“實際上，我們的工作可能會導致腿部機器人更好地適應周圍環(huán)境，從而處理不同的環(huán)境，”Nordmoen說。“這包括促進機器人控制器從模擬到現(xiàn)實世界的轉移。正如我們在論文中所寫，有腿機器人有可能幫助用戶的條款，與輪式機器人相比，用戶需要進行調整。 “

Nordmoen及其同事設計的技術可以促進具有更強大的運動技能的機器人的發(fā)展。在未來，其他研究人員可以將該方法整合到他們的機器人中，或者從這項研究中汲取靈感，以開發(fā)類似的技術。根據Nordmoen的說法，將傳感器反饋整合到腿式機器人中的困難以及這種新的體現(xiàn)相位協(xié)調方法的簡單性可能是未來研究的一個很好的起點。

“我們目前正致力于更好地理解體現(xiàn)相位協(xié)調的機制，”他補充說。“這有望使我們能夠改進概念并產生更好的運動策略。此外，我們希望看到如果機器人本身發(fā)生變化，如何影響體現(xiàn)的相位協(xié)調。通過我們獨特的機器人DyRET，我們有能力改變機器人的形態(tài)，可以測試這些變化將如何影響我們的方法。“