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美科學家研制虛擬機器人可像動物一樣進化

  • 分類:行業動態
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2016-04-28

【概要描述】

美科學家研制虛擬機器人可像動物一樣進化

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  • 分類:行業動態
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  • 來源:
  • 發布時間:2016-04-28
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  近年來科學家們制造出各種類型和功能的機器人,在實踐中機器人也廣泛應用于火星科學探測、工業生產以及家庭生活等領域。但是,現有的大多數步行機器人看起來更像是一種雙腿僵硬的金屬怪物,距離人們的理想還有很大差距。美國佛蒙特大學科學家約什 邦加爾德近日對現有的多款著名步行機器人進行了分析和研究,并開發出一種計算機模擬系統,系統顯示機器人也可以像動物進化一樣逐漸學會更好地步行。

  1. 虛擬機器人原型

  通過模擬系統,邦加爾德創作出一種虛擬機器人,這種虛擬機器人可以隨著時間的變化改變自己的形狀。最初,這種機器人身體像蛇一樣,沒有腿,靠腹部運動。邦加爾德的模擬系統根據機器人脊骨的每一個片斷采用了各種不同的運動算法。如果某種算法能夠成功地讓機器人更接近目標,就會被應用于下一個片斷。如果不成功,則被舍棄。在每個片斷中,成功的算法還將會隨著片斷的輕微修正進行驗證。當各種不同算法分別成功地適應各脊骨片斷的運動時,機器人就已進化出有效的運動模式。

  腹部運動功能進化成功后,邦加爾德開始為機器人增加腿部。隨著腿部的緩慢“生長”,模擬系統中的虛擬機器人的腿部運動開始從滑行到步行進化。邦加爾德介紹說,“緩慢生長的腿部使得算法(控制器)以機器人的語言去處理一個問題,即首先能夠擺動,然后再實現平衡。這種步行控制器與我們以前看到的有所不同?!边@樣它就逐漸學會了如何更快地行走,并最終掌握了更加自然的步法

  當然,在現實世界中很難讓機器人改變它們的身體或讓其腿部生長,但邦加爾德利用樂高機器人研制出一個概念驗證版機器人。這款機器人擁有一個簡單的脊骨和四條腿。最初,一個額外的支柱幫助四條腿像蜥蜴一樣向外伸展,然而逐漸將它們收攏,最終機器人可以用腿站立起來。邦加爾德表示,這一原型顯示,真實的機器人也可以利用相似的過程進化出有效的步法。

  2. “大狗”運輸機器人

  無論是兩條腿還是四條腿,步行機器人肯定比那些輪式機器人或非移動機器人更像動物。因此,步行機器人更容易融入人類的生活,它們也看起來更可愛,更酷。不過,科學家們研究機器人的腿部運動機制并不僅僅是因為它們看起來可愛,而是為了讓機器人更好地為人類服務。

  邦加爾德表示,“有腿機器肯定比那些輪式機器更擅長在崎嶇的山路上行走?!边@就是為什么美國軍方能夠慷慨斥資數百萬美元資助波士頓動力公司研制“大狗”運輸機器人的原因?!按蠊贰笔且环N動力平衡四足機器人,載重能力達300磅(約合136公斤),可以通過泥濘、雪地、冰面、煤渣等路面?!按蠊贰钡乃臈l腿如此逼真,讓一些人心里不安。即使在受到大力推擠的情況下,“大狗”仍然可以穩穩站立。邦加爾德的模擬機器人也顯示出相似的穩定性。

  3.“漫游者”機器人

  征服崎嶇山路并不是研制有腿步行機器人的唯一目的。事實證明,步行機器人也適合長途旅行。垂直的腿部(相對的則是像蜥蜴一樣向外伸出的水平腿部)可以像鐘擺一樣前后擺動,有助于向前邁進。像人類一樣,機器人的這種運動幾乎不需要耗費能量。邦加爾德表示,“這種方式能效很高,這也是兩足性進化的原因之一。我們人類不用花太大的力氣就可以走很長的路程?!?/P>

  由美國康奈爾大學研制的步行機器人“漫游者”去年以14.3英里(約合23公里)的距離打破了機器人的步行記錄?!奥握摺北M管有四條腿,但從技術上講它屬于兩足機器人,因為它的腿是成對工作的??的螤柎髮W研究團隊介紹說,“漫游者”的步法也許并不優雅,但它走2萬步所花掉的電費僅為1美分。

  4. “火焰”機器人

  此前,步行機器人吸引人們的目光并非是因為實用,而是因為新奇,原因在于它們更難設計。事實上,研制一個成功的步行機器人需要一個完全不同的設計方案。自上世紀90年代起,研究人員關注的一個領域就是“被動動力學”或“無動力運動”。航空工程師泰德-麥克吉爾所研制的兩足機器人非常逼真,它可以不用任何發動機,就可以走下斜坡。

  荷蘭德爾福特科技大學生物機器人實驗室在這一領域更進一步,他們研制出的機器人要么是無動力的,要么是采用無動力運動的方式。就像人類行走時腿部利用自己的動力自然擺動一樣,這些機器人行走得更加自然,而且將動力自然地融合到步法之中。這些步行方式中持續變化的動力學對于機器人設計者來說是一大挑戰。他們必須要把生物學靈感更好地融入到機器人控制系統中。

  德爾福特科技大學研制的“火焰”機器人的臀部、膝蓋和踝骨中采用了彈性機制,這就意味著每個發動機和相關的關節之間都有一個彈簧,而不是發動機與關節直接相連?!盎鹧妗睓C器人參研者之一馬丁-維塞解釋說,“這種方式吸收了足部踩踢地面時產生的沖擊力?!?/P>

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