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(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)健的四足機器人運動的演化體現(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贊助。

“對于我們來說，激勵因素是觀察到我們在仿真中訓(xùn)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(jù)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(jīng)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(jié)合起來。CPG是在機器人中產(chǎn)生節(jié)奏波動或運動模式的常用方法，可用作運動的基礎(chǔ)。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(chǎn)生節(jié)律信號的神經(jīng)元。

“CPG的培訓(xùn)相對簡單，但是，它們本身并不包含有關(guān)外部世界的任何信息，”Nordmoen說。“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)的整合可以改善機器人在現(xiàn)實世界中的表現(xiàn)。”

體現(xiàn)相位協(xié)調(diào)技術(shù)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(diào)，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(shè)計的具體階段協(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(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)雜的機器人上進行實驗，”Nordmoen說。“此外，我們使用進化優(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)奏自動適應(yīng)機器人和環(huán)境。”

(a)顯示了標(biāo)有關(guān)節(jié)的機器人腿的視覺表示。(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物形態(tài)的四足機器人。他們首先在模擬中訓(xùn)練四足機器人，然后將他們的測試轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實世界，以驗證訓(xùn)練是否有效。這允許他們在將其應(yīng)用于真實場景之前評估他們的技術(shù)，而不會對機器人造成損害。

“實際上，我們的工作可能會導(dǎo)致腿部機器人更好地適應(yīng)周圍環(huán)境，從而處理不同的環(huán)境，”Nordmoen說。“這包括促進機器人控制器從模擬到現(xiàn)實世界的轉(zhuǎn)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(diào)整。 “

Nordmoen及其同事設(shè)計的技術(shù)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(shù)。根據(jù)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(diào)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(diào)的機制，”他補充說。“這有望使我們能夠改進概念并產(chǎn)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(diào)。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。“