六足机器人更贴近大自然

由东京工业大学(东京工业大学)的研究人员领导的一项研究揭示了通过两级控制器驱动多腿机器人的新方法。所提出的控制器使用所谓的非线性振荡器网络,其能够产生不同的步态和姿势,其仅由少数高级参数指定。该研究激发了对如何控制多腿机器人的新研究,包括未来使用脑机接口。

在自然界中,许多物种可以越过斜坡和不规则的表面,到达最先进的流动站机器人无法进入的地方。即使是最微小的生物,如何无缝地处理复杂的动作仍然是个谜。

我们所知道的是,即使是最简单的大脑也包含模式发生器电路(CPG)[1],它们专门用于生成行走模式。由于灵活性差,迄今为止人为地复制这种电路的尝试取得了有限的成功。

现在,日本和意大利的研究人员提出了一种新的行走模式生成方法,该方法基于分布在两个层次上的电子振荡器的分层网络,他们使用类似蚂蚁的六足机器人进行了演示。这项成就为控制腿式机器人开辟了新的途径。该研究发表于IEEE Access,是东京理工大学科学家合作的结果,部分资金来自世界研究中心倡议,波兰克拉科夫的波兰科学院和意大利卡塔尼亚大学。

生物启发的控制器由两个层次组成。在顶部,它包含一个CPG [1],负责控制腿部运动的整体顺序,称为步态。在底部,它包含六个局部模式发生器(LPG)[2],负责控制各个腿的轨迹。

该研究的主要作者Ludovico Minati,也是波兰克拉科夫波兰科学院的附属机构,并通过世界研究中心倡议邀请东京理工大学创新研究所(IIR)解释说,昆虫可以快速适应他们的步态取决于多种因素,尤其是他们的步行速度。一些步态经常被观察到并被认为是规范的,但实际上,可以获得几乎无限数量的步态,并且诸如蚂蚁和蟑螂的不同昆虫在非常不同的姿势中实现相似的步态。

当试图将如此多的复杂性压缩到人工模式生成器中时遇到了困难。由于基于现场可编程模拟阵列(FPAAs)[3]的实现,所提出的控制器显示出极高的多功能性,允许动态重新配置和调整所有电路参数。它建立在多年前对非线性和混沌电子网络的研究基础之上,它已经证明了它们能够复制生物大脑中观察到的现象,即使在非常简单的配置中进行连线也是如此。

“也许研究中最激动人心的时刻是当我们观察到机器人展示我们既没有设计也没有预期的现象和步态,后来发现它们也存在于生物昆虫中,”Minati说。这种紧急现象尤其在网络用模拟组件实现并允许一定程度的自组织时出现,代表了一种与传统工程有很大不同的方法,在传统工程中,一切都是先验和固定的。“这使我们更接近生物学的工作方式,”他补充道。

同样位于IIR的Yasuharu Koike评论说:“控制器的一个重要方面是它将如此多的复杂性压缩到只有少量参数。这些可以被认为是高级参数,因为它们明确地设定了步态,速度,姿势等因为它们可以动态改变,将来应该很容易使用脑机接口实时改变它们,从而无法控制复杂的运动学,无法用当前的方法来控制。

同样位于IIR的Natsue Yoshimura表示:“由于控制器逐渐响应并体现了生物学上合理的模式生成方法,我们认为与解码离散命令的系统相比,驱动可能更加无缝。这可能具有实用性。影响,我们的实验室在这方面拥有丰富的专业知识。“

技术用词

[1]码型发生器电路(CPG):CPG代表中央码型发生器。一个自主生成节奏步态模式的网络,这里指的是腿部运动的顺序。

[2]局部模式发生器(LPG):将每个CPG输出转换为相应腿的关节轨迹的子网。

[3]现场可编程模拟阵列(FPAA):包含各种模拟模块的集成电路,可在数字控制下重新配置。