Jetzt kann der Cheetah 3 MIT-Roboter über unwegsames Gelände springen und springen, mit Trümmern übersäte Treppen steigen und schnell das Gleichgewicht wiederherstellen.
Ein 90-Pfund-mechanisches Tier - so groß wie ein großer Labrador - wurde absichtlich für all dies entwickelt, ohne auf Kameras oder externe Umgebungssensoren angewiesen zu sein. Stattdessen „fühlt“ er sich agil durch seine Umgebung, so dass die Ingenieure es als „blinde Bewegung“ beschreiben, genau wie durch einen schwarzen Raum.
„Es gibt viele unerwartete Dinge, die ein Roboter tun muss, ohne sich zu sehr auf das Sehen zu verlassen“, sagte der Roboterdesigner Sangbae Kim, Associate Professor für Ingenieurwissenschaften am MIT. „Das Sehen kann laut, leicht ungenau und manchmal unzugänglich sein. Wenn Sie sich zu sehr auf das Sehen verlassen, muss Ihr Roboter sehr genau sein und wird letztendlich langsam sein. Daher möchten wir, dass sich der Roboter mehr auf taktile Informationen verlässt. So kann er unerwartete Hindernisse bewältigen und sich gleichzeitig schnell bewegen. "
Im Oktober werden Forscher auf der Internationalen Konferenz über intelligente Roboter in Madrid die Fähigkeiten des Roboters ohne Sicht vorstellen. Zusätzlich zur Blindbewegung wird das Team eine verbesserte Roboterausrüstung demonstrieren, einschließlich eines erweiterten Bewegungsbereichs im Vergleich zu seinem Vorgänger Cheetah 2, der es dem Roboter ermöglicht, sich hin und her zu strecken und sich hin und her zu drehen, ähnlich wie im Video vor dem Sprung.
Kim schlägt vor, dass der Roboter in den nächsten Jahren Aufgaben erledigen wird, die sonst für Menschen zu gefährlich oder unzugänglich wären.
„Der Cheetah 3 wurde für universelle Aufgaben wie die Inspektion von Kraftwerken entwickelt, zu denen verschiedene Geländebedingungen gehören, darunter Treppen, Bordsteine und Hindernisse am Boden“, sagt Kim. „Ich denke, es gibt unzählige Male, in denen wir Roboter schicken wollten, um einfache Aufgaben anstelle von Menschen auszuführen. Gefährliche, schmutzige und schwierige Arbeiten können mit Hilfe ferngesteuerter Roboter viel sicherer erledigt werden. "
Entscheidungsalgorithmus
Cheetah 3 kann blind Treppen hoch und durch unstrukturiertes Gelände steigen und dank unerwarteter Kräfte, die vom Kim-Team entwickelt wurden, schnell das Gleichgewicht angesichts unerwarteter Kräfte wiederherstellen: Kontakterkennungsalgorithmus und Kontrollvorhersagealgorithmus.
Der Kontakterkennungsalgorithmus hilft dem Roboter, die beste Zeit zu bestimmen, zu der das aktuelle Bein vom Schaukeln in der Luft zum Stehen auf dem Boden wechselt.
„Wenn es darum geht, von Luft auf Boden umzuschalten, sollte das Umschalten sehr gut sein“, sagt Kim.
Der Kontakterkennungsalgorithmus hilft dem Roboter, die beste Zeit für die Bewegung des Beins zwischen den Schwingungen und dem Schritt zu bestimmen, und berechnet für jedes Bein ständig drei Wahrscheinlichkeiten: die Wahrscheinlichkeit, dass das Bein den Boden berührt, die Wahrscheinlichkeit, Kraft zu erzeugen, nachdem das Bein den Boden berührt, und die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Bein in der Mitte befindet . Der Algorithmus berechnet diese Wahrscheinlichkeiten basierend auf Daten von Gyroskopen, Beschleunigungsmessern und Positionen der Gelenke der Beine, die den Winkel und die Höhe der Beine relativ zum Boden aufzeichnen.
Wenn zum Beispiel ein Roboter plötzlich auf einen Holzblock tritt, biegt sich sein Körper plötzlich und verschiebt den Winkel und die Höhe des Roboters. Diese Daten werden sofort zur Berechnung von drei Wahrscheinlichkeiten für jedes Bein übermittelt, die der Algorithmus kombiniert, um zu bewerten, ob jeder Fuß Punkte senken oder heben und senken sollte, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten - während dieser ganzen Zeit ist der Roboter fast blind.
„Wenn Menschen ihre Augen schließen und einen Schritt machen, haben wir ein mentales Modell dafür, wo die Erde sein kann, und können uns darauf vorbereiten. Wir verlassen uns aber auch auf die Berührung der Erde, sagt Kim. "Wir machen dasselbe und kombinieren mehrere Informationsquellen, um die Übergangszeit zu bestimmen."
Die Forscher testeten den Algorithmus in Experimenten mit dem Cheetah 3 auf einem Laborlaufband und stiegen die Treppe hinauf. Beide Oberflächen waren mit zufälligen Gegenständen wie Holzklötzen und Klebebandrollen übersät.
"Er kennt nicht die Höhe jeder Stufe und weiß nicht, dass es Hindernisse auf der Treppe gibt, aber er geht einfach, ohne das Gleichgewicht zu verlieren", sagt Kim. "Ohne diesen Algorithmus wäre der Roboter sehr instabil und könnte leicht fallen."
Zukunftspläne
Die Blindbewegung des Roboters wurde auch teilweise durch den Kontrollprognosealgorithmus ausgelöst, der vorhersagt, welche Kraft auf ein bestimmtes Bein ausgeübt werden soll, sobald es einen Schritt macht.
"Der Kontakterkennungsalgorithmus sagt Ihnen:" Es ist an der Zeit, Gewalt am Boden anzuwenden ", sagt Kim. "Aber sobald Sie sich auf der Erde befinden, müssen Sie jetzt berechnen, welche Kräfte Sie einsetzen müssen, damit Sie den Körper richtig bewegen können."
Der Modellvorhersagesteuerungsalgorithmus berechnet die multiplikative Position des Körpers und der Beine des Roboters für eine halbe Sekunde in der Zukunft, wenn ein bestimmter Fuß bei Bodenkontakt Kraft ausübt.
"Nehmen wir an, jemand tritt den Roboter in die Seite", sagt Kim. „Wenn der Fuß bereits auf dem Boden steht, entscheidet der Algorithmus, welche Kraft ich auf den Fuß ausüben soll. Da ich links eine unerwünschte Geschwindigkeit habe, möchte ich Gewalt in die entgegengesetzte Richtung anwenden, um diese Geschwindigkeit zu töten. Was passiert in einer halben Sekunde, wenn ich 100 Newton in die entgegengesetzte Richtung auftrage? “
Der Algorithmus ist so ausgelegt, dass diese Berechnungen für jede Stufe alle 50 Millisekunden oder 20 Mal pro Sekunde durchgeführt werden. In den Experimenten übten die Forscher unerwartete Kräfte aus, traten und drückten den Roboter, während er auf dem Laufband trabte, und zerrten an seiner Leine, als er mit Hindernissen die Treppe hinaufstieg. Sie fanden heraus, dass der Vorhersagealgorithmus es dem Roboter ermöglicht, schnell entgegengesetzte Kräfte zu erzeugen, um das Gleichgewicht wiederherzustellen und sich weiter vorwärts zu bewegen, ohne sich zu weit in die entgegengesetzte Richtung zu lehnen.
„Dank dieser proaktiven Steuerung können die richtigen Kräfte am Boden in Verbindung mit diesem Kontaktübergangsalgorithmus verwendet werden, wodurch jeder Kontakt sehr schnell und sicher ist“, sagt Kim.
Das Team hat dem Roboter bereits Kameras hinzugefügt, um ihm visuelles Feedback zu seiner Umgebung zu geben. Dies hilft bei der Anzeige der Gesamtumgebung und gibt dem Roboter visuelle Informationen über große Hindernisse wie Türen und Wände. Derzeit arbeitet das Team jedoch daran, die Blindbewegung des Roboters weiter zu verbessern.
„Zuerst brauchen wir einen sehr guten Controller ohne Vision“, sagt Kim. „Und wenn wir eine Vision hinzufügen, sollte der Fuß in der Lage sein, das Hindernis zu bewältigen, auch wenn es Ihnen die falschen Informationen liefern kann. Denn wenn das das ist, was die Kamera nicht sieht? Was wird er tun? Hier kann blinde Bewegung helfen. Wir wollen unserem Sehvermögen nicht zu sehr vertrauen. "
Diese Studie wurde insbesondere von Naver, dem Toyota Research Institute, Foxconn und der Air Force Research Department unterstützt.