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两足机器人模仿跑步和跳跃时的人体平衡

2020-03-10 15:05:14    来源:    我来说两句()
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 拯救有生命的建筑,适应性强的机器人的使命可能是从烧毁的建筑物,化学溢出物或任何人类无法应对的灾难中拯救受害者。想象一下,例如,一个救援机器人可以四肢穿过瓦砾,然后在两条腿上站起来,推开一个沉重的障碍物或冲破一扇锁着的门。

工程师在四足机器人的设计及其运行,跳跃甚至后空翻的能力方面正在取得长足进步。但是让两足的类人机器人在不跌倒的情况下施加力量或推动物体一直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本那香槟分校的工程师已经开发出一种方法来控制两脚遥控机器人的平衡-这是使类人动物能够在挑战性环境中执行高影响力任务的重要步骤。

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,由操作员穿着背心进行远程控制,该背心将有关人的运动和地面反作用力的信息传递给机器人。

通过背心,操作员既可以指挥机器人的运动,又可以感觉到机器人的运动。如果机器人开始翻倒,则人会感到背心受到相应的拉动,并且可以进行调整,以重新平衡自己以及机器人的平衡。

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

麻省理工学院博士后开发了该方法的乔奥·拉莫斯(Joao Ramos)表示:“这就像在沉重的背包中跑步一样-您可以感觉到背包的动态如何在周围运动,并且可以适当地补偿。“现在,如果您想打开一扇沉重的门,人类可以命令机器人将其身体扔向门并推动其打开,而不会失去平衡。”

现在担任伊利诺伊大学香槟分校伊利诺伊大学助理教授的拉莫斯(Ramos)在《科学机器人》中的一项研究中详细介绍了该方法。他的这项研究的共同作者是麻省理工学院机械工程副教授金桑培(Sangbae Kim)。

不仅仅是运动

此前,Kim和Ramos建造了两足机器人HERMES(用于高效机器人机构和机电系统),并开发了通过远程操作模仿操作员动作的方法,研究人员说这种方法具有一定的人文优势。

拉莫斯说:“因为有一个可以实时学习和适应的人,所以机器人可以执行以前从未经历过的动作(通过遥操作)。”

在示威活动中,爱马仕(HERMES)将咖啡倒入杯子中,用斧头砍木头,并用灭火器灭火。

所有这些任务都涉及到机器人的上身和算法,以使机器人的肢体位置与其操作员的肢体位置相匹配。HERMES之所以能够进行高冲击力的动作,是因为该机器人扎根在原地。在这种情况下,保持平衡要容易得多。但是,如果要求机器人采取任何步骤,则它可能会试图模仿操作员的动作。

“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,因为机器人很容易掉落,”金说。“我们需要复制运营商的动态平衡。”

输入Little HERMES,这是HERMES的微型版本,大约是普通成年人的三分之一。该团队将机器人设计为简单的躯干和两条腿,并专门设计了该系统以测试下半身任务,例如运动和平衡。与其全身同类产品一样,Little HERMES专为远程操作而设计,操作员身着背心,可以控制机器人的动作。

为了使机器人能够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法来表示平衡。拉莫斯最终意识到,可以将平衡分解为两个主要成分:一个人的质心和他们的压力中心-基本上,就是在地面上施加等于所有支撑力的力的一个点。

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程度。他还发现这两种成分的位置在物理上可以表示为倒立摆。想象一下,在植根于同一地点的同时左右摇摆。效果类似于上下颠倒的摆的摇摆,顶端代表人的质心(通常在躯干中),而底部代表人在地面上的压力中心。

繁重的举重

为了定义质心与压力中心的关系,拉莫斯收集了人体运动数据,包括实验室中的测量结果,他来回摆动,走到位,然后跳上一个测力板,该测力板测量了他在地面上施加的力,因为他的脚和躯干的位置被记录下来。然后,他将该数据压缩为质心和压力中心的度量,并开发了一个模型来表示彼此之间的关系,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。

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。

金说:“平衡反馈是很难定义的,因为这是我们不加考虑的事情。” “这是第一次为动态动作正确定义平衡反馈。这将改变我们控制遥控人形机器人的方式。”

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,通过适当的平衡通讯,我们可以打开沉重的门或举起重物。”

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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