バージニア工科大学の研究者は、ロボットに生物に触発された歩行を与えることを目指しています

2年前、Kaveh Hamedは、息子のNikaanが自分で最初の一歩を踏み出すのを見ました。彼は、赤ちゃんが前に歩いているときに、ニカーンの1歳の体がぐらついた足でティーターをしているのを見ました。

そして、彼はニカーンの進歩を見ました。彼は腹を這うことから、揺れながら立っていること、最初の散歩、そして床を横切って2本の足で離陸することへと進みました。

これらの思い出は、ハメッドが犬のテリーが走るのを見るときと同じように、数学について考えさせます。彼女が彼に向かって縛られているのを見て、トロットに切り替えると、彼はロボットに彼女の敏捷性を与える方法について再び疑問に思い始めます。

ハメドは10年以上にわたり、脚のあるロボットが人間や動物のように歩き、走ることができるようにする制御アルゴリズムを開発してきました。

NikaanとTelliが動いているのを見ると、学ぶべきことがたくさん残っていることを彼に思い出させます。 「それは単純な問題のようです」とハメドは言いました。 「私たちは毎日これらのことをしています。私たちは歩いたり、走ったり、階段を上ったり、隙間をまたいだりします。しかし、それを数学やロボットに変換するのは困難です。」

ハメドは昨年、工学部の機械工学科の助教授として、またハイブリッド動的システムおよびロボット移動実験室の責任者としてバージニア工科大学に加わりました。

それ以来、彼と彼の研究チームは、部門内や全国の他の大学の協力者とともに、ロボットの生物に触発された移動を強化するために取り組んできました。

彼らは現在、全米科学財団によって資金提供された4つのプロジェクトに取り組んでおり、そのすべてが人間や動物からインスピレーションを得て、ソフトウェア開発に焦点を当てています。

彼らのプロジェクトの1つは、動力付き義足の弾力性のある移動への二足歩行（2本足）の適用を検討することです。

ハメドの研究チームは、ミシガン大学の電気工学およびコンピュータサイエンス学部の准教授であるロバートグレッグと協力して、グレッグの動力付き人工脚モデルの分散制御アルゴリズムを開発しています。

チームの現在のプロジェクトのうち3つは、四足動物（4本足）ロボットと、センサー、制御アルゴリズム、人工知能を組み合わせて使用​​し、ロボット犬の敏捷性、安定性、器用さ、および周囲への応答性を向上させることを中心に展開しています。お互い。

ハメド氏によると、毎年多くの脚式ロボットが製造されていますが、ロボットが2本足または4本足のインスピレーションの源の敏捷性に匹敵するまでにはまだ長い道のりがあります。

「犬、チーター、マウンテンライオンなどの動物の移動に見られる敏捷性は、現在のところ、最先端のロボットでさえ、ロボットが厳密に追求することはできないと信じています」と彼は言いました。 P>

「ロボット技術は急速に進歩していますが、ロボットに見られるものと生物学的対応物に見られるものとの間には、依然として根本的なギャップがあります。」

4本足の友達からインスピレーションを得て

ハメドはロボット犬との仕事で、動物の移動の敏捷性と安定性を強調する高度でインテリジェントな制御アルゴリズムを開発することで、ギャップを埋めることを目指しています。

高度なフィードバック制御アルゴリズムと数理最適化手法の使用をセンサーの使用と統合することで、彼のアプローチは動物の基本的な生物学で機能します。

たとえば、脊椎動物のバランス制御は主に脊髄で行われ、そこでは振動ニューロンが互いに通信してリズミカルな動きを生み出します。

それは自然な機能です。足のある動物や人間が目を閉じても歩くことができる理由です、とハメドは説明しました。

しかし、階段や岩のセットなど、より複雑な環境をナビゲートするには、人間と動物の両方に視覚が必要であり、私たちが見ているものを解釈する脳が必要です。

ハメドの研究チームは、センサーと堅牢な制御アルゴリズムを使用して、ロボット犬の間で同様の効果を生み出しています。

エンコーダー（関節に取り付けられたセンサーが相互の位置を読み取るセンサー）と慣性測定ユニット（ロボット本体の地面に対する向きを測定するセンサー）を使用して、脊椎動物に自然にもたらされるバランスとモーションコントロールをさらに作成します。

チームはまた、カメラと、環境をより正確にマッピングするためのレーザー技術の一種であるLidarを取り付けて、マシンビジョンを利用します。これにより、各ロボットが障害物に接触したり、障害物を回避したりすることをより適切に伝えることができます。

ハメドのチームは、脚式ロボットの製造を専門とする会社であるGhost Roboticsによって製造された3匹のロボット犬にこれらのセンサーを装備し、それらを使用して、新しく開発されたインテリジェントで堅牢な制御アルゴリズムをテストしました。

ロボットが自分の動きと環境の測定値を読み取ったら、それに応じて行動させることが目的です。搭載されたコンピューターは、ロボットがポイントAからポイントBに自分自身を操縦するために使用する必要のあるロバスト制御アクションを計算します。

これまでのところ、研究者は実際の動物の歩行を反映したいくつかの異なる歩行のシミュレーションとテストを開始しています。

ロボット犬は、敏捷性、バランス、速度を高めて、より鋭い角度で歩き回り、速歩し、走り始めました。

チームはまた、人工知能を制御アルゴリズムに統合して、実世界の環境でのロボットのリアルタイムの意思決定を改善することも検討しています。

バージニア工科大学以降のパートナーとのコラボレーション

ハメドは、人工知能やセーフティクリティカルな制御アルゴリズムなどの新しい概念を採用するためにコラボレーションに頼っています。

彼の2つのプロジェクトでは、カリフォルニア工科大学の機械工学および土木工学の教授であるアーロンエイムズと協力しています。

一緒に、彼らは複雑な環境で四足歩行および二足歩行ロボットの機敏な移動を可能にする次世代のインテリジェントで安全で堅牢な制御アルゴリズムの開発を目指しています。

彼らはまた、脚式ロボットが共同作業で動きを調整できるようにする分散フィードバック制御アルゴリズムを作成することにより、脚式ロボットの群れでこの作業を構築することを目指しています。

最近、バージニア工科大学の機械工学の教授であるAlex Leonessaが、ロボット盲導犬と人間の協調移動に分散制御アルゴリズムの使用を適応させるプロジェクトにAmesandHamedに加わりました。

「私はコラボレーションから学びます」とHamedは言いました。 「それが私たちが知識を進歩させるために行っていることです。有名企業は現在素晴らしいことをしていますが、彼らが何をしているのかわかりません。

「私たちは科学と数学から学び、見つけたものを共有したいと思っています。私たちが出版するとき、私たちは他の大学にこう言うことができます。「これらは私たちが使用するアルゴリズムです。どうすればそれらを拡張できますか？」

Hamedは、モビリティ、支援機能、および2つの組み合わせの観点から、これらの拡張機能の潜在的な利点と実際のアプリケーションを認識しています。

地球の風景の半分以上が車輪付きの車両では到達できないとマークされているため、機敏な脚のロボットは、山や森のような起伏のある急な地形をより適切にナビゲートできます。

家庭やオフィスでは、地面は平らでほとんど予測可能ですが、二足歩行者向けに設計されたはしごや階段では、ロボットの制限が依然として発生しています。

ハメド氏は、移動が制限されている人々を支援し、ロボットと一緒に暮らすためにロボットを使用する場合は、ロボットが同じ条件を処理できるようにすることが重要であると考えています。

また、ロボットは緊急時の対応（たとえば、工場火災の救助任務）で人間をサポートまたは交換するため、足を巧みに使用することで恩恵を受けることができます。

ハメドは、ロボット犬が有望な制御アルゴリズムの最初のテストを見つけましたが、それらのアルゴリズムの開発は継続的なプロセスになります。

「私たちが使用しているアルゴリズムは、実際にバイオインスパイアードですか？」ハメドは自問しました。 「彼らは実際に犬のように振る舞っていますか？私たちは数学をしようとしています。

「しかし、それはバイオインスパイアードでなければなりません。動物を調べてからアルゴリズムを修正する必要があります。動物がこのシナリオにどのように反応するか、そして制御アルゴリズムがどのように反応するかを確認するためです。」