Blind Cheetah 3-robot kan klatre op ad trapper fyldt med forhindringer

MIT's Cheetah 3-robot kan nu springe og galoppere hen over ujævnt terræn, gå op ad en trappe fyldt med affald, og hurtigt genvinde balancen, når den pludselig rykkes eller skubbes, alt i alt i det væsentlige blind.

Det 90-pund tunge mekaniske bæst - på størrelse med en fuldvoksen Labrador - er med vilje designet til at gøre alt dette uden at være afhængig af kameraer eller eksterne miljøsensorer. I stedet, den "føler" sig smidigt gennem sine omgivelser på en måde, som ingeniører beskriver som "blind bevægelse, "meget som at komme igennem et kulsort rum.

"Der er mange uventede adfærd, som robotten burde være i stand til at håndtere uden at stole for meget på syn, " siger robottens designer, Sangbae Kim, lektor i maskinteknik ved MIT. "Syn kan være støjende, lidt unøjagtig, og nogle gange ikke tilgængelig, og hvis du stoler for meget på syn, din robot skal være meget nøjagtig i position og vil til sidst være langsom. Så vi vil have robotten til at stole mere på taktile informationer. Den vej, den kan håndtere uventede forhindringer, mens den bevæger sig hurtigt."

Forskere vil præsentere robottens synsfrie egenskaber i oktober på den internationale konference om intelligente robotter, i Madrid. Ud over blind bevægelse, holdet vil demonstrere robottens forbedrede hardware, inklusive et udvidet bevægelsesområde sammenlignet med sin forgænger Cheetah 2, der tillader robotten at strække sig frem og tilbage, og drej fra side til side, meget som en kat, der klumper sig op for at kaste sig over.

Inden for de næste par år, Kim forestiller sig, at robotten udfører opgaver, som ellers ville være for farlige eller utilgængelige for mennesker at påtage sig.

"Cheetah 3 er designet til at udføre alsidige opgaver såsom kraftværksinspektion, som involverer forskellige terrænforhold, herunder trapper, kantsten, og forhindringer på jorden, " siger Kim. "Jeg tror, ​​der er utallige lejligheder, hvor vi [ville] sende robotter til at udføre simple opgaver i stedet for mennesker. Farligt, snavset, og vanskeligt arbejde kan udføres meget mere sikkert gennem fjernstyrede robotter."

At forpligte sig

Cheetah 3 kan blindt komme op ad trapper og gennem ustruktureret terræn, og kan hurtigt genvinde balancen i lyset af uventede kræfter, takket være to nye algoritmer udviklet af Kims team:en kontaktdetektionsalgoritme, og en modelforudsigende kontrolalgoritme.

Kontaktdetektionsalgoritmen hjælper robotten med at bestemme det bedste tidspunkt for et givet ben at skifte fra at svinge i luften til at træde på jorden. For eksempel, hvis robotten træder på en let kvist kontra en hård, tung rock, hvordan den reagerer – og om den fortsætter med at fortsætte med et skridt, eller trækker sig tilbage og svinger benet i stedet for - kan skabe eller bryde balancen.

"Når det kommer til at skifte fra luften til jorden, skiftet skal være meget veludført, " siger Kim. "Denne algoritme handler virkelig om, "Hvornår er et sikkert tidspunkt at begå mit fodspor?"

Kontaktdetektionsalgoritmen hjælper robotten med at bestemme det bedste tidspunkt at skifte et ben mellem sving og trin, ved konstant at beregne tre sandsynligheder for hvert ben:sandsynligheden for, at et ben kommer i kontakt med jorden, sandsynligheden for den kraft, der genereres, når benet rammer jorden, og sandsynligheden for, at benet er i midtsving. Algoritmen beregner disse sandsynligheder baseret på data fra gyroskoper, accelerometre, og ledpositioner af benene, som registrerer benets vinkel og højde i forhold til jorden.

Hvis, for eksempel, robotten træder uventet på en træklods, dens krop vil pludselig vippe, forskydning af robottens vinkel og højde. Disse data vil straks indgå i beregningen af ​​de tre sandsynligheder for hvert ben, som algoritmen vil kombinere for at vurdere, om hvert ben skal forpligte sig til at skubbe ned på jorden, eller løft op og sving væk for at holde balancen – alt imens robotten er praktisk talt blind.

"Hvis mennesker lukker vores øjne og tager et skridt, vi har en mental model for, hvor jorden kan være, og kan forberede sig på det. Men vi stoler også på følelsen af ​​berøring af jorden, " siger Kim. "Vi gør sådan set det samme ved at kombinere flere [kilder til] information for at bestemme overgangstiden."

Forskerne testede algoritmen i eksperimenter med Cheetah 3, der travede på et laboratorieløbebånd og klatrede på en trappe. Begge overflader var fyldt med tilfældige genstande såsom træklodser og ruller tape.

"Den kender ikke højden af ​​hvert trin, og ved ikke, at der er forhindringer på trappen, men den pløjer bare igennem uden at miste balancen, " siger Kim. "Uden den algoritme, robotten var meget ustabil og faldt let."

Fremtidens kraft

Robottens blinde bevægelse skyldtes også delvist den modelforudsigende kontrolalgoritme, som forudsiger, hvor meget kraft et givet ben skal anvende, når det har forpligtet sig til et skridt.

"Kontaktdetektionsalgoritmen vil fortælle dig, 'det er tid til at anvende kræfter på jorden, '" siger Kim. "Men når du først er på jorden, nu skal du beregne, hvilken slags kræfter du skal bruge, så du kan bevæge kroppen på den rigtige måde."

Den modelprædiktive kontrolalgoritme beregner de multiplikative positioner af robottens krop og ben et halvt sekund ude i fremtiden, hvis en vis kraft påføres af et givet ben, når det kommer i kontakt med jorden.

"Sig, at nogen sparker robotten sidelæns, " siger Kim. "Når foden allerede er på jorden, Algoritmen bestemmer, 'Hvordan skal jeg specificere kræfterne på foden? Fordi jeg har en uønsket hastighed til venstre, så jeg vil bruge en kraft i den modsatte retning for at dræbe den hastighed. Hvis jeg anvender 100 newton i denne modsatte retning, hvad sker der et halvt sekund senere?"

Algoritmen er designet til at foretage disse beregninger for hvert ben hvert 50 millisekund, eller 20 gange i sekundet. I eksperimenter, forskere introducerede uventede kræfter ved at sparke og skubbe robotten, mens den travede på et løbebånd, og rykkede den i snoren, mens den klatrede op ad en forhindringsbelastet trappe. De fandt ud af, at den modelforudsigende algoritme gjorde det muligt for robotten hurtigt at producere modkræfter for at genvinde balancen og fortsætte med at bevæge sig fremad, uden at vippe for langt i den modsatte retning.

"Det er takket være den forudsigende kontrol, der kan anvende de rigtige kræfter på jorden, kombineret med denne kontaktovergangsalgoritme, der gør hver kontakt meget hurtig og sikker, " siger Kim.

Holdet havde allerede tilføjet kameraer til robotten for at give den visuel feedback af dens omgivelser. Dette vil hjælpe med at kortlægge det generelle miljø, og vil give robotten et visuelt heads-up på større forhindringer såsom døre og vægge. Men for nu, holdet arbejder på yderligere at forbedre robottens blinde bevægelse

"Vi vil have en meget god controller uden syn først, " siger Kim. "Og når vi tilføjer vision, selvom det måske giver dig de forkerte oplysninger, benet skal kunne klare (forhindringer). For hvad nu hvis den træder på noget, som et kamera ikke kan se? Hvad vil det gøre? Det er her, blind bevægelse kan hjælpe. Vi vil ikke stole for meget på vores vision."

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.