Virginia Tech-onderzoekers ontwikkelen bio-geïnspireerde gangsystemen voor geavanceerde robotica

Twee jaar geleden zag Kaveh Hamed zijn zoon Nikaan zijn eerste stappen zelf maken. Hij keek naar Nikaan's eenjarige lichaam dat op wankelende benen teeterde terwijl de baby vooruit liep.

En hij zag Nikaan's vooruitgang: hij ging van kruipen op zijn buik naar staan met een zwaai, naar de eerste wandelingen, naar wegrennen over de vloer op twee zeker voeten.

Deze herinneringen laten Hamed nadenken over wiskunde, zoals hij doet als hij zijn hond Telli ziet rennen. Als ze naar hem toe boundt en overschakelt op een trot, begint hij weer te wonderen over de manieren waarop hij haar gewendheid aan een robot kan overdragen.

Meer dan 10 jaar controle-algoritmen voor potige robots

Al meer dan 10 jaar ontwikkelt Hamed controle-algoritmen die potige robots in staat stellen meer als mensen en dieren te lopen en rennen.

Nikaan en Telli in beweging zien herinnert hem dat er nog zoveel te leren is. "Het lijkt een simpel probleem," zei Hamed. "We doen deze dingen elke dag – we lopen, rennen, klimmen trappen, stappen over gaten. Maar dat vertalen naar wiskunde en robots is uitdagend."

Hybrid Dynamic Systems and Robot Locomotion Lab

Hamed trad vorig jaar toe tot Virginia Tech als assistent-professor in de afdeling Mechanical Engineering in de College of Engineering en als hoofd van de Hybrid Dynamic Systems and Robot Locomotion Lab.

Sindsdien hebben hij en zijn onderzoeksploeg gewerkt aan het verbeteren van bio-geïnspireerde locomotie in robots, samen met medewerkers uit binnen de afdeling en van andere universiteiten landelijk.

Vier NSG-gefinancierde projecten

Ze werken momenteel aan vier projecten gefinancierd door de National Science Foundation, die allemaal inspiratie putten uit mensen of dieren en zich richten op softwareontwikkeling.

Bipede locomotie voor kunstmatige beenprothesen

Eén van hun projecten betreft het onderzoeken van de toepassingen van bipede (twee-been) locomotie op veerkrachtige locomotie van aangedreven prothesebenen.

Hamed's onderzoeksploeg collaboreert met Robert Gregg, een associate professor in de afdeling Electrical Engineering and Computer Science aan de University of Michigan, om gedecentraliseerde controle-algoritmen te ontwikkelen voor Gregg's model van een aangedreven prothesebeen.

Drie projecten over vierpotige robots

Drie van de ploeg's huidige projecten draaien om vierpotige (vier-been) robots en het gecombineerde gebruik van sensoren, controle-algoritmen, en kunstmatige intelligentie om de gewendheid, stabiliteit, en bekwaamheid van robotische honden te verbeteren, alsook hun responsiviteit op hun omgeving en elkaars.

Fundamentele kloof tussen robots en biologische tegenhangers

Hamed zei dat hoewel er meer potige robots elk jaar gebouwd worden, het veld nog een lange weg te gaan heeft voordat robots de gewendheid van hun twee- of vierpotige inspiratiebronnen kunnen evenaren.

"We geloven dat de gewendheid die we zien in dierlocomotie – zoals in een hond, een jachtluipaard, of een puma – niet nauwkeurig kan worden nagevolgd door robots, zelfs niet door state-of-the-art-robots," zei hij.

"Robottechnologie ontwikkelt zich snel, maar er is nog een fundamentele kloof hier, tussen wat we in robots zien en wat we in hun biologische tegenhangers zien."

Inspiratie uit vierpotige vrienden

In zijn werk met robotische honden probeert Hamed de kloof te dichten door geavanceerde en intelligente controle-algoritmen te ontwikkelen die de gewendheid en stabiliteit van dierlocomotie onderliggen.

Door het integreren van geavanceerde feedback-controle-algoritmen en wiskundige optimalisatietechnieken met het gebruik van sensoren, werkt zijn benadering in de basisbiologie van dieren.

Balanscontrole in ruggemerg

Balanscontrole voor gewervelde dieren gebeurt voornamelijk in het ruggemerg, waar oscillatorische neuronen met elkaar communiceren om ritmische beweging te genereren.

Het is een natuurlijke functie – de reden waarom gewervelde dieren en mensen hun ogen dicht kunnen knijpen en nog steeds kunnen lopen, verklaarde Hamed.

Visie en hersenen voor complexe omgevingen

Maar om meer complexe omgevingen te navigeren – zoals een trap of rotsen – hebben zowel mensen als dieren visie nodig, en we hebben de hersenen nodig om te interpreteren wat we zien.

Hamed's onderzoeksploeg gebruikt sensoren en robuuste controle-algoritmen om vergelijkbare effecten te creëren bij hun robotische honden.

Encoders en inertial measurement units

Ze gebruiken encoders – sensoren bevestigd aan gewrichten om hun positie ten opzichte van elkaar te lezen – alsook inertiële meetunits – sensoren die de oriëntatie van het robotlichaam ten opzichte van de grond meten – om meer van de balans- en bewegingscontrole te creëren die van nature bij gewervelde dieren hoort.

Camera's en Lidar voor machine vision

De ploeg bevestigt ook camera's en Lidar, een vorm van lasertechnologie voor een nauwkeurigere omgevingskartering, om machine vision te benutten, wat de contact van elke robot met of vermijding van obstakels beter kan informeren.

Drie robotische honden van Ghost Robotics

Hamed's ploeg heeft drie robotische honden, gebouwd door Ghost Robotics, een bedrijf dat gespecialiseerd is in het produceren van potige robots, uitgerust met deze sensoren en gebruikt ze om hun nieuw-ontwikkelde, intelligente en robuuste controle-algoritmen te testen.

On-board computers berekenen controle-acties

Eenmaal de robots metingen van hun eigen beweging en hun omgeving hebben gelezen, is het idee om ze te laten handelen volgens: on-board computers berekenen de robuuste controle-acties die de robots moeten gebruiken om zich van punt A naar punt B te sturen.

Gesimuleerde en geteste gangen

Tot nu toe hebben de onderzoekers verschillende gangen gesimuleerd en getest die die van echte dieren spiegelen.

De robotische honden hebben begonnen te draf, te trotteren, en te rennen bij scherpere hoeken met meer gewendheid, balans, en snelheid.

AI-integratie voor real-time besluitvorming

De ploeg onderzoekt ook de integratie van kunstmatige intelligentie in hun controle-algoritmen om de real-time besluitvorming van de robots in real-world omgevingen te verbeteren.

Samenwerking met partners van Virginia Tech en daarbuiten

Hamed steunt op samenwerking om nieuwe concepten zoals kunstmatige intelligentie en veiligheidskritieke controle-algoritmen te adopteren.

In twee van zijn projecten collaboreert hij met Aaron Ames, Professor of Mechanical and Civil Engineering bij Caltech.

Samen streven ze ernaar de volgende generatie intelligente, veilige, en robuuste controle-algoritmen te ontwikkelen die agiele locomotie van vierpotige en bipede robots in complexe omgevingen mogelijk maken.

Ze streven er ook naar om voort te bouwen op dit werk met zwermen van potige robots, door gedistribueerde feedback-controle-algoritmen te creëren die potige robots in staat stellen hun beweging te coördineren in collaboratieve taken.

Onlangs is Alex Leonessa, professor Mechanical Engineering bij Virginia Tech, toegetreden aan Ames en Hamed in een project dat het gebruik van gedistribueerde controle-algoritmen aanpast voor coöperatieve locomotie van robot-gids-honden en mensen.

Leren van samenwerking

"Ik leer van samenwerking," zei Hamed. "Dat is wat we doen om kennis te versterken. Bekende bedrijven doen geweldige dingen nu, maar je kunt niet zien wat ze doen.

We willen leren van wetenschap en wiskunde en wat we vinden delen. Als we publiceren, kunnen we tegen andere universiteiten zeggen: 'Dit zijn de algoritmes die we gebruiken. Hoe kun je erop voortbouwen?'"

Toepassingen: mobiliteit, assistieve capaciteit, combinatie

Hamed ziet de potentiële voordelen en real-world toepassingen van deze verbeteringen in termen van mobiliteit, assistieve capaciteit, en een combinatie van de twee.

Met meer dan de helft van het aardoppervlak gemarkeerd als onbereikbaar voor gewaarde voertuigen, kunnen gewendige potige robots beter navigeren over ruige, steile terreinen, zoals die van bergen of bossen.

In huizen en kantoren is de grond plat en voorspelbaar, maar beperkingen voor robots nemen nog vorm aan in ladders en trappen ontworpen voor tweepotige wandelaars.

Hamed gelooft dat het belangrijk zal zijn om ervoor te zorgen dat robots dezelfde omstandigheden kunnen aan, als ze gebruikt gaan worden om mensen met beperkte mobiliteit te assisteren en met hen te leven.

En als robots mensen ondersteunen of vervangen in noodsituaties – een reddingsmissie bij een fabrieksbrand, bijvoorbeeld – zullen ze profiteren van het handig gebruik van hun poten.

Hamed vindt de eerste tests op controle-algoritmen met zijn robotische honden veelbelovend, maar de ontwikkeling van die algoritmes zal een lopend proces zijn.

"Zijn de algoritmes die we gebruiken eigenlijk bio-geïnspireerd?" heeft Hamed zich afgevraagd. "Gedragen ze zich eigenlijk als honden? We proberen de wiskunde te doen.

Maar het moet bio-geïnspireerd zijn. We moeten naar dieren kijken en dan onze algoritmes corrigeren – om te zien hoe ze reageren op dit scenario en hoe onze controle-algoritmen reageren."