Большинство людей двуногие, но даже лучшие из нас на самом деле двуногие, пока все не усложняется. Хотя наши ноги могут быть нашей основной системой мобильности, существует множество ситуаций, в которых мы также задействуем руки, либо пассивно, чтобы сохранить равновесие, либо активно, когда мы протягиваем руку, чтобы удержаться на соседнем объекте. И несмотря на то, насколько нестабильны двуногие роботы, использование чего-либо, кроме ног для мобильности, было проблемой как для программного, так и для аппаратного обеспечения, что является значительным ограничением в сильно неструктурированных средах.

Робототехники из TUM в Германии (при поддержке Немецкого исследовательского фонда) недавно внесли в своего гуманоидного робота LOLA несколько серьезных обновлений, чтобы сделать возможным такое многоконтактное передвижение. Хотя он все еще находится на ранних стадиях, это уже одно из самых человеческих двуногих передвижений, которые мы когда-либо видели.

Конечно, двуногие роботы могут передвигаться по сложной местности, не используя конечности для поддержки, но я уверен, что вы можете вспомнить много случаев, когда использование рук для обеспечения вашей собственной двуногой мобильности было обязательным. Это не обязательно, потому что у вас плохая сила ног, координация движений или чувство равновесия. Просто иногда вы можете натолкнуться на что-то очень нестабильное или в ситуации, когда последствия споткнуться исключительно велики. И это может даже не иметь значения, сколько ощущений вы делаете заранее и насколько тщательно вы планируете свои шаги: существуют пределы того, сколько вы можете заранее знать о своем окружении, и это может привести к тому, что вы действительно плохо проведете время. Вот почему использование многоконтактного передвижения, независимо от того, запланировано оно заранее или нет,

 

Как отмечается в видео (а также в поддержку явного откровения), это еще не полностью автономное поведение, с заранее заданными вручную положениями ног и точками контакта рук. Но не так уж сложно увидеть, как все можно сделать автономно, поскольку одна из действительно сложных частей (использование нескольких точек контакта для динамической балансировки движущегося робота) выполняется на борту и в режиме реального времени. 

Чтобы LOLA могла это сделать, потребовался капитальный ремонт как аппаратного, так и программного обеспечения. И Филипп Зайвальд , который работает с LOLA в TUM, смог рассказать нам об этом больше.

IEEE Spectrum : Не могли бы вы подвести итог изменениям в аппаратном обеспечении LOLA, которые необходимы для многоконтактного передвижения?

Филипп Зайвальд:Первоначальная версия LOLA была разработана для быстрой ходьбы на двух ногах. Хотя у него было две руки, они не предназначались для контакта с окружающей средой, а скорее для компенсации динамических эффектов ног во время быстрой ходьбы. Кроме того, туловище имело относительно простую конструкцию, которая подходила для его первоначального назначения; однако он не был разработан для того, чтобы выдерживать высокие нагрузки, исходящие от рук во время многоконтактных маневров. Таким образом, мы полностью переработали верхнюю часть тела LOLA с нуля. Начиная с таза, была увеличена сила и жесткость туловища. Мы использовали метод конечных элементов для оптимизации критических деталей для получения максимальной прочности при минимальном весе. Кроме того, мы добавили дополнительные степени свободы для рук, чтобы увеличить доступное рабочее пространство для рук. Кинематическая топология плеч, т. Е.

Почему это важная проблема для двуногих гуманоидных роботов?

Поддержание равновесия во время передвижения можно считать основной задачей роботов на ножках. Естественно, эта задача для двуногих сложнее, чем для роботов с четырьмя и более ногами. Хотя современные прототипы высокого класса демонстрируют впечатляющий прогресс, роботы-гуманоиды по-прежнему не обладают той надежностью и универсальностью, которые им необходимы для большинства реальных приложений. Своими исследованиями мы стараемся внести свой вклад в эту область и помочь раздвинуть границы. Недавно мы показали нашу последнюю работу по передвижению по пересеченной местности без многоконтактной поддержки.. Несмотря на то, что надежность уже высока, все еще существуют сценарии, такие как ходьба по незакрепленным объектам, когда стабилизация робота не работает при использовании только ножных контактов. Использование дополнительной поддержки рукой и окружающей средой во время этой (сравнительно) быстрой ходьбы позволяет значительно повысить устойчивость, то есть способность робота компенсировать возмущения, ошибки моделирования или неточные данные датчика. Помимо стабилизации на неровной местности, мультиконтактное передвижение также позволяет выполнять более сложные движения, например, переступать через высокое препятствие или касаться только пальцами ног, как показано в нашем последнем видео с несколькими контактами.

Как LOLA может решить, подходит ли поверхность для многоконтактного передвижения?

Система визуального восприятия LOLA в настоящее время разрабатывается нашими партнерами по проекту из кафедры компьютерных медицинских процедур и дополненной реальности ТУМ. Эта система основана на новом семантическом конвейере одновременной локализации и сопоставления (SLAM), который может надежно извлекать семантические компоненты сцены (например, пол, стены и объекты в них) путем объединения нескольких наблюдений с разных точек зрения и путем вывода из них нижележащего графа сцены. Это обеспечивает надежную оценку того, какие части сцены могут использоваться для поддержки передвижения, исходя из предположения, что определенные структурные элементы, такие как стены, являются неподвижными, а стулья, например, нет.

Кроме того, команда планирует разработать конкретный набор данных с аннотациями, дополнительно описывающими атрибуты объекта (например, шероховатость поверхности или ее мягкость), и который будет использоваться для освоения многоконтактного передвижения в еще более сложных сценах. На сегодняшний день система обзора и навигации еще не доработана; Таким образом, в нашем последнем видео мы использовали заранее определенные опоры для ног и точки контакта для рук. Однако в рамках нашего сотрудничества мы работаем над полностью интегрированной и автономной системой.

Способна ли LOLA к проактивному и реактивному многоконтактному передвижению?

Программная среда LOLA имеет иерархическую структуру. На самом высоком уровне система технического зрения генерирует модель окружающей среды и оценивает 6D-позу робота на сцене. Затем генератор шаблонов ходьбы использует эту информацию для планирования динамически выполнимого будущего движения, которое приведет LOLA к целевой позиции, определенной пользователем. На более низком уровне модуль стабилизации изменяет этот план, чтобы компенсировать ошибки модели или любые нарушения и сохранить общий баланс. Таким образом, наш подход в настоящее время сосредоточен на проактивном многоконтактном перемещении. Однако мы также планируем работать над более реактивным поведением, чтобы дополнительная поддержка рук также могла быть вызвана неожиданным нарушением, а не планироваться заранее.

Каковы некоторые примеры уникальных возможностей, над которыми вы работаете с LOLA?

Одной из основных целей исследования LOLA остается быстрое, автономное и надежное передвижение по сложной, неровной местности. Мы стремимся достичь скорости ходьбы, подобной человеческой. В настоящее время LOLA может совершать многоконтактное передвижение и пересекать неровную местность со скоростью 1,8 км / ч, что сравнительно быстро для двуногого робота, но все же медленно для человека. На ровной поверхности высококачественное оборудование LOLA позволяет ему ходить с относительно высокой максимальной скоростью 3,38 км / ч.

Полностью автономное многоконтактное передвижение для робота-гуманоида в натуральную величину - сложная задача. По мере усложнения алгоритмов время вычислений увеличивается, что часто приводит к автономным методам планирования движения. Что касается LOLA, мы ограничиваемся многоконтактной походкой, что означает, что мы стараемся сохранить основные характеристики двуногой походки и используем руки только для помощи. Это позволяет нам использовать упрощенные модели робота, что приводит к очень эффективным алгоритмам, работающим в режиме реального времени и полностью встроенным. 

Долгосрочная научная цель LOLA - понять основные компоненты и правила управления ходьбой человека. Кинематика ног LOLA относительно похожа на человеческое тело. Вместе с учеными из кинезиологии мы пытаемся выявить сходства и различия между наблюдаемой ходьбой человека и «спроектированной» походкой LOLA. Мы надеемся, что это исследование приведет, с одной стороны, к новым идеям по контролю двуногих, а с другой стороны, покажет с помощью экспериментов на двуногих, правильно ли поняты биомеханические модели походки человека. Для сравнения политик контроля на неровной местности LOLA должна уметь ходить со сравнимой скоростью, что также мотивирует наши исследования быстрой и надежной ходьбы.

Хотя понятно, почему исследователи используют руки LOLA в первую очередь для помощи в обычной двуногой походке, забегая вперед, интересно подумать о том, как роботы, которых мы обычно считаем двуногими, могут потенциально использовать свои конечности для мобильности в явно нечеловеческих условиях. способами.

Мы привыкли к тому, что роботы на ногах являются одной конкретной морфологией, я думаю, потому что ассоциировать их с людьми или собаками или кем-то еще - это просто удобный способ сделать это, но нет особой причины, по которой робот с четырьмя конечностями должен выбирать между тем, чтобы быть Четвероногий и двуногий с руками, или какой-то гибрид между ними, в зависимости от его задачи. Исследование, проводимое с помощью LOLA, могло бы стать шагом в этом направлении, и, возможно, рукой на стену в этом направлении.