Cheetah III-robot forbereder sig til en rolle som first responder

Hvis du skulle bede nogen om at nævne en ny teknologi, der dukkede op fra MIT i det 21. århundrede, der er en god chance for, at de vil navngive robotgeparden. Udviklet af MIT Department of Mechanical Engineering's Biomimetic Robotics Lab under ledelse af lektor Sangbae Kim, den firbenede MIT Cheetah har skabt overskrifter for sin dynamiske bengang, hastighed, hoppe evne, og biomimetisk design.

Cheetah II i hundestørrelse kan løbe på fire leddede ben med op til 6,4 meter i sekundet, lav milde løbesving, og spring til en højde på 60 centimeter. Robotten kan også selvstændigt bestemme, hvordan den skal undgå eller hoppe over forhindringer.

Kim er nu ved at udvikle en tredje generations robot, Cheetah III. I stedet for at forbedre Cheetahens hastighed og springegenskaber, Kim konverterer geparden til en kommercielt levedygtig robot med forbedringer såsom en større nyttelastkapacitet, bredere bevægelsesområde, og en fingernem gribefunktion. Cheetah III vil i første omgang fungere som en spektral inspektionsrobot i farlige miljøer såsom et kompromitteret atomanlæg eller kemisk fabrik. Det vil derefter udvikle sig til at tjene andre nødberedskabsbehov.

"Cheetah II var fokuseret på højhastighedsbevægelser og adræt hop, men var ikke designet til at udføre andre opgaver, "siger Kim." Med geparden III, vi stiller mange praktiske krav til designet, så det kan være en all-around spiller. Den kan lave højhastighedsbevægelser og kraftfulde handlinger, men det kan også være meget præcist."

Biomimetic Robotics Lab er også ved at færdiggøre en mindre, afklebet version af Cheetah, kaldet Mini Cheetah, designet til robotforskning og -uddannelse. Andre projekter omfatter en teleoperat humanoid robot kaldet Hermes, der giver haptisk feedback til menneskelige operatører. Der er også en tidlig undersøgelse af anvendelsen af ​​Cheetah-lignende aktuatorteknologi til at håndtere mobilitetsudfordringer blandt handicappede og ældre.

Erobre mobiliteten på jorden

"Med Cheetah-projektet, Jeg blev oprindeligt motiveret af at kopiere landdyr, men jeg indså også, at der var et hul i jordens mobilitet, " siger Kim. "Vi har erobret luft- og vandtransport, men vi har ikke erobret mobilitet på jorden, fordi vores teknologier stadig er afhængige af kunstigt asfalterede veje eller skinner. Ingen af ​​vores transportteknologier kan pålideligt rejse over naturlig jord eller endda menneskeskabte miljøer med trapper og kantsten. Dynamiske benede robotter kan hjælpe os med at erobre mobilitet på jorden. "

En udfordring med bensystemer er, at de "har brug for aktuatorer med højt drejningsmoment, " siger Kim. "Et menneskeligt hofteled kan generere mere drejningsmoment end en sportsvogn, men det er en stor udfordring at opnå en sådan kondenseret aktivering med højt drejningsmoment i robotter."

Robotter har en tendens til at opnå et højt drejningsmoment på bekostning af hastighed og fleksibilitet, siger Kim. Fabriksrobotter bruger aktuatorer med højt drejningsmoment, men de er stive og kan ikke absorbere energi ved stødet, der er et resultat af klatretrin. Hydraulisk drevet, dynamiske ben robotter, såsom den større, højere nyttelast, firedobet Big Dog fra Boston Dynamics, kan opnå meget høj kraft og kraft, men på bekostning af effektivitet. "Effektivitet er et alvorligt problem med hydraulik, især når du bevæger dig hurtigt, " tilføjer han.

Et hovedmål med Cheetah-projektet har været at skabe aktuatorer, der kan generere højt drejningsmoment i design, der efterligner dyremuskler, samtidig med at de opnår effektivitet. For at opnå dette, Kim valgte elektriske frem for hydrauliske aktuatorer. "Vores elektriske motorer med højt drejningsmoment har overskredet effektiviteten af ​​dyr med biologiske muskler, og er meget mere effektive, billigere, og hurtigere end hydrauliske robotter, " han siger.

Cheetah III:Mere end en speedster

I modsætning til de tidligere versioner, Cheetah III-designet var mere motiveret af potentielle anvendelser end ren forskning. Kim og hans team studerede kravene til en nødberedskabsrobot og arbejdede baglæns.

"Vi tror på, at Cheetah III vil være i stand til at navigere i et kraftværk med stråling om to eller tre år, "siger Kim." Om fem til 10 år skulle den kunne udføre mere fysisk arbejde som at skille et kraftværk ad ved at skære stykker og bringe dem ud. Om 15 til 20 år, den skulle kunne gå ind i en bygningsbrand og muligvis redde et liv."

I situationer som Fukushima-atomkatastrofen, robotter eller droner er det eneste sikre valg til rekognoscering. Droner har nogle fordele i forhold til robotter, men de kan ikke anvende store kræfter, der er nødvendige for opgaver som at åbne døre, og der er mange katastrofesituationer, hvor nedfaldet affald forbyder droneflyvning.

Til sammenligning, Cheetah III kan anvende kræfter på menneskeligt niveau på miljøet i timevis ad gangen. Den kan ofte klatre eller hoppe over affald, eller endda flytte det af vejen. Sammenlignet med en drone, det er også nemmere for en robot at nøje inspicere instrumentering, vippekontakter, og trykknapper, siger Kim. "Geparden III kan måle temperaturer eller kemiske forbindelser, eller luk og åbn ventiler. "

Fordelene i forhold til bælterobotter inkluderer evnen til at manøvrere over affald og gå op ad trapper. "Trapper er nogle af de største forhindringer for robotter, " siger Kim. "Vi mener, at robotter med ben er bedre i menneskeskabte miljøer, især i katastrofesituationer, hvor der er endnu flere forhindringer."

Cheetah III blev bremset lidt i forhold til Cheetah II, men også givet større styrke og fleksibilitet. "Vi øgede drejningsmomentet, så det kan åbne de tunge døre, der findes i kraftværker, " siger Kim. "Vi øgede bevægelsesområdet til 12 frihedsgrader ved at bruge 12 elektriske motorer, der kan artikulere kroppen og lemmerne."

Dette er stadig langt fra dyrs fleksibilitet, som har over 600 muskler. Endnu, Cheetah III kan kompensere noget med andre teknikker. "Vi maksimerer hvert leds arbejdsrum for at opnå en rimelig mængde tilgængelighed, " siger Kim.

Designet kan endda bruge benene til manipulation. "Ved at udnytte lemmernes fleksibilitet, Cheetah III kan åbne døren med et ben, " siger Kim. "Den kan stå på tre ben og udstyre det fjerde lem med en tilpasset udskiftelig hånd for at åbne døren eller lukke en ventil."

Cheetah III har en forbedret nyttelastkapacitet til at bære tungere sensorer og kameraer, og muligvis endda at aflevere forsyninger til handicappede ofre. Imidlertid, det er langt fra at kunne redde dem. Cheetah III er stadig begrænset til en nyttelast på 20 kilo, og kan rejse ubundet i fire til fem timer med en minimal nyttelast.

"Til sidst, vi håber at udvikle en maskine, der kan redde en person, " siger Kim. "Vi er ikke sikre på, om robotten ville bære offeret eller medbringe en bæreanordning, " siger han. "Vores nuværende design kan i det mindste se, om der er nogle ofre, eller om der er flere potentielle farlige hændelser."

Eksperimenterer med menneske-robot interaktion

Den semiautonome Cheetah III kan træffe ambulante og navigationsbeslutninger på egen hånd. Imidlertid, til katastrofearbejde, det vil primært fungere med fjernbetjening.

"Fuldstændig selvstændig inspektion, især i katastrofeberedskab, ville være meget hårdt, " siger Kim. Blandt andre spørgsmål, autonom beslutningstagning tager ofte tid, og kan indebære forsøg og fejl, hvilket kan forsinke svaret.

"Folk vil kontrollere Cheetah III på et højt niveau, tilbyder hjælp, men ikke håndtere alle detaljer, " siger Kim. "Folk kunne fortælle den at gå til et bestemt sted på kortet, finde dette sted, og åbn døren. Når det kommer til håndhandling eller manipulation, mennesket vil overtage mere kontrol og fortælle robotten, hvilket værktøj den skal bruge."

Mennesker kan også være i stand til at hjælpe med mere instinktive kontroller. For eksempel, hvis geparden bruger et af sine ben som en arm og derefter anvender kraft, det er svært at holde balancen. Kim undersøger nu, om menneskelige operatører kan bruge "afbalanceret feedback" for at forhindre geparden i at vælte, mens den anvender fuld kraft.

"Selv at stå på to eller tre ben, det ville stadig være i stand til at udføre aktioner med høj kraft, der kræver kompleks afbalancering, "siger Kim." Den menneskelige operatør kan mærke balancen, og hjælpe robotten med at flytte sit momentum for at generere mere kraft til at åbne eller hamre en dør."

Biomimetic Robotics Lab udforsker afbalanceret feedback med et andet robotprojekt kaldet Hermes (Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System). Ligesom Cheetah III, det er en fuldt formuleret, dynamisk benrobot designet til katastrofeberedskab. Endnu, Hermes er tobenet, og fuldstændigt teleopereret af et menneske, der bærer en telepresence-hjelm og en heldragt. Ligesom Hermes, dragten er rigget med sensorer og haptiske feedback-enheder.

"Føreren kan mærke balancesituationen og reagere ved at bruge kropsvægt eller direkte implementere flere kræfter, " siger Kim.

Den latens, der kræves for sådan intim feedback i realtid, er vanskelig at opnå med Wi-Fi, selv når det ikke er blokeret af vægge, afstand, eller trådløs interferens. "I de fleste katastrofesituationer, du ville have brug for en form for kablet kommunikation, " siger Kim. "Til sidst, Jeg tror på, at vi vil bruge forstærkede optiske fibre."

Forbedring af mobilitet for ældre

Ser man ud over katastrofeberedskab, Kim forestiller sig en vigtig rolle for agile, dynamiske benrobotter i sundhedsvæsenet:forbedring af mobiliteten for den hurtigt voksende ældre befolkning. Talrige robotprojekter er rettet mod ældremarkedet med chatty sociale robotter. Kim forestiller sig noget mere fundamentalt.

"Vi har stadig ikke en teknologi, der kan hjælpe handicappede eller ældre mennesker problemfrit med at flytte fra sengen til kørestolen til bilen og tilbage igen, " siger Kim. "Mange ældre har problemer med at komme ud af sengen og gå op ad trapper. Nogle ældre med knæledsproblemer, for eksempel, er stadig ret mobile på flad jord, men kan ikke klatre ned ad trappen uden hjælp. Det er en meget lille del af dagen, hvor de har brug for hjælp. Så vi leder efter noget, der er let og nemt at bruge til korttidshjælp."

Kim arbejder i øjeblikket på "at skabe en teknologi, der kan gøre aktuatoren sikker, " siger han. "De elektriske aktuatorer, vi bruger i Cheetah, er allerede mere sikre end andre maskiner, fordi de nemt kan absorbere energi. De fleste robotter er stive, hvilket ville forårsage mange stødkræfter. Vores maskiner giver lidt."

Ved at kombinere sådan sikker aktuatorteknologi med nogle af Hermes -teknologierne, Kim håber på at udvikle en robot, der kan hjælpe ældre mennesker i fremtiden. "Robotter kan ikke kun løse den forventede mangel på arbejdskraft til ældrepleje, men også behovet for at bevare privatlivets fred og værdighed, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.