Кошачья грация: искусственные мышцы для роботизированных ног

Практическая разработка робототехники берет свое начало еще в начале прошлого века, не говоря уже о теоретической части, которую можно отследить до времен Да Винчи и даже старше. За эти долгие годы ученым удалось превратить железного дровосека в человекоподобного робота, обладающего многими возможностями, имитирующими как человеческий организм, так и других животных. Однако даже самые современные роботы лишены того, с чем многие дикие животные рождаются, а именно врожденной грации и легкости локомоции в сложных условиях окружающей среды. Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали искусственные мышцы для роботизированных ног, позволяющие роботу преодолевать препятствия с присущей диким животным грацией и точностью. Из чего сделаны эти мышцы, как именно они работают, и насколько они эффективны? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

У кого нет проблем с локомоцией, так это у стационарных роботов, которые уже давно успешно используются в разных отраслях деятельности человека, от промышленности до медицины. Но ученые уже давно пытаются создать не только роботов, которые буквально прикручены к полу, но и таковых, которые смогут свободно передвигаться по разнообразной и переменчивой местности, чтобы помогать человеку выполнять различные задачи. Творения Boston Dynamics конечно же поражаю воображение, особенно в сравнение с их же ранними прототипами, однако даже они обладают некой скованностью движений, которая обусловлена структурными и программными ограничениями.

«Do you Love me?», танцующие роботы от Boston Dynamics.

Другими словами, роботы, оснащенные ногами, пока еще не достигли той ловкости и адаптивности, которые наблюдаются у животных.

Чтобы лучше имитировать универсальность животных, необходимо расширить пространство материалов, используемых для проектирования систем и роботов. Конструкции, вдохновленные скелетно-мышечной архитектурой животных, были использованы для улучшения производительности роботов. Эта биомиметическая (система, которая имитирует биологический организм) конструкция не только усиливает универсальность и адаптивность робота, но и облегчает управление системами с высокой степенью свободы (DOF от degree-of-freedom) с более простыми контроллерами. Недавние исследования были сосредоточены на электромагнитных двигателях. Хотя электромагнитные двигатели с вращательными энкодерами точно контролируются и могут производить высокий крутящий момент, они, как правило, громоздки и демонстрируют низкую податливость и обратную управляемость. Прямые приводные трансмиссии обеспечивают обратную управляемость системы, однако эти приводы непрерывно потребляют энергию, удерживая полезную нагрузку, если они не оснащены сложными системами сцепления.

Изображение №1

В связи с этим авторы рассматриваемого нами сегодня труда выдвинули гипотезу, что опорно-двигательные роботы, приводимые в действие электрогидравлическими искусственными мышцами, могут стать фундаментом для гибких, адаптивных и энергоэффективных роботов для универсального передвижения и работы в естественных средах. Поэтому обычные электромагнитные двигатели с вращательными энкодерами суставов заменяются антагонистическими парами искусственных мышц, которые сокращаются линейно и могут самостоятельно определять свое состояние сокращения. Трансмиссии в суставах также заменяются прокладкой сухожилий по суставу, что создает нелинейное плечо момента и приводит к подходящему выходному крутящему моменту сокращающейся мышцы. Ученые протестировали свою теорию, используя PELE, гибкую и энергоэффективную ногу Peano-HASEL (гидравлически усиленный самовосстанавливающийся электростатический привод или hydraulically amplified self-healing electrostatic actuator) с приводом с двумя степенями свободы (видео ниже).

Видео №1

Ученые протестировали PELE в ряде локомоционных тестов и в конечном итоге обнаружили, что он может динамически адаптировать жесткость своих мышечных пакетов, что позволяет ему прыгать по различным ландшафтам ловко, но энергоэффективно (1b). Чтобы продемонстрировать управляемость ноги, замкнутый PID-регулятор и энкодеры позволили ноге точно отслеживать траектории в пространстве. Более того, конструкция опорно-двигательного аппарата и электрогидравлические приводы PELE позволили контроллеру силы с открытым контуром посредством только регулирования приложенного напряжения манипулировать и перемещать ногу. PELE также выполнял выраженные и ловкие движения походки за пределами 5 Гц, линейные движения за пределами 10 Гц и высокие прыжки до 40 % высоты ноги (вверху слева на 1b). PELE также продемонстрировал настраиваемую жесткость посредством регулирования напряжения и присущую адаптивность, что позволило ему прыгать по траве, песку, гравию, гальке и даже более крупным камням, используя только один набор команд управления силой с открытым контуром (вверху справа на 1b). PELE также требует всего ∼ 1.2 % энергии, которая потребовалась бы сопоставимой ноге с приводом от двигателя постоянного тока при выполнении эксперимента по приседанию (внизу слева на 1b). Ученые использовали возможности емкостного самоопределения, чтобы позволить PELE обнаруживать и впоследствии преодолевать препятствия, переключая режим его приведения в действие (внизу справа на 1b). Нога может прыгать по различной местности, используя присущую ей проприоцепцию, не полагаясь на знание угла сустава (например, значения энкодера).

Результаты исследования

Изображение №2

PELE состоит из позвоночника (углеродное волокно) с 3D-печатными суставами (тазобедренный и коленный) и двух наборов электрогидравлических искусственных мышц, прикрепленных к нему с помощью сухожилий (2a). Мышечные пакеты состоят из параллельно сложенных электрогидравлических мышц и сухожилия, прикрепленного на конце пакета. Нога имеет четыре мышечных пакета и приводится в действие четырьмя отдельными высоковольтными усилителями, управляемыми через компьютер.

Каждая электрогидравлическая мышца представляет собой Peano-HASEL, состоящий из последовательно сложенных карманов привода. Один карман представляет собой полимерную оболочку, заполненную жидким диэлектриком и покрытую электродами с обеих сторон. Когда на два электрода кармана подаются разные электрические потенциалы, заряды перемещаются к электроду, и электростатические силы вызывают изменение формы карманов. Это изменение формы приводит к линейному сокращению (Δx) вдоль последовательно сложенных карманов привода. Сокращение прекращается, как только электроды разряжаются.

Электрогидравлические приводы обычно имеют состояния захвата, когда не требуется дополнительной энергии для удержания положения, даже под нагрузкой, за исключением небольшого количества утечки заряда через диэлектрические слои, которые необходимо компенсировать. Поэтому PELE потребляет очень мало энергии при удержании позы, даже при приложении значительного крутящего момента в суставе.

В отличие от электромагнитных двигателей, где подаваемый ток коррелирует с крутящим моментом привода, напряжение, подаваемое на электрогидравлический привод, коррелирует с усилием привода. Управляемое усилие привода, в сочетании с антагонистической парой мышц и характеристиками силы/деформации привода, позволяет ноге перемещаться в режиме управления силой с разомкнутым контуром, не требуя датчика угла сустава. Таким образом, PELE по своей сути адаптивен. Сухожилие, соединенное с одним концом каждой мышцы, передает усилие мышцы и изменение длины. Для PELE один конец привода был жестко прикреплен к ноге, а сухожилие на другом конце — к голени после соответствующего сустава (2a). Каждое сухожилие имеет нелинейную передачу момента для соответствующих профилей угла/крутящего момента суставов. Ученые определяли декартову систему координат для роботизированной ноги на оси вращения тазобедренного сустава. Вставка на 2a детализирует систему координат и определение углов для тазобедренного и коленного суставов.

Диапазон движения PELE можно наблюдать, когда применяется напряжение к отдельным мышцам. Ученые сокращали мышечные пакеты в повторяющихся циклах с частотой 0.5 Гц. Каждое положение относится к определенному набору напряжений, применяемых к четырем мышечным пакетам PELE (2b).

Ученые использовали каскадный контроллер с обратной связью для точного управления положением кончика ноги. Магнитные энкодеры были встроены в каждый сустав для измерения углов суставов. Углы преобразуются в соответствующие смещения привода HASEL. Отслеживание различных форм выполнялось кончиком PELE по циклическим траекториям в течение 20 секунд (2c и видео ниже). Помимо точного управления положением, нога обеспечивает гибкое и быстрое движение.

Видео №2

Изображение №3

Далее ученые продемонстрировали динамические и гибкие движения, которые может выполнять разработанная ими нога. Низкая инерция ноги в сочетании с быстрой реакцией мышц и высоким отношением мощности к весу позволили ноге совершать гибкие движения. На видео №3 показаны эксперименты, демонстрирующие гибкую локомоцию ноги. Нога достигла высоты прыжка 128 мм, сохраняя при этом короткое время опоры 91 мс. Это продемонстрировало способность ноги выполнять очень гибкие прыжковые маневры (3a). Короткое время опоры указывает на короткое время зарядки мышц и низкий момент инерции системы. Более того, вертикальная прыжковая ловкость ноги (V_jump) составила 0.75 м/с, а частота прыжков (F_jump) составила 5.8 Гц.

Видео №3

Учитывая короткое время периода опоры, ученые решили проверить возможности ноги в быстрых прыжках, то есть высокочастотных повторяющихся прыжках (3b). Одного лишь гравитационного ускорения было недостаточно, чтобы достаточно быстро опустить ногу на землю, что ограничивало достижимую максимальную частоту движения. Чтобы учесть это в экспериментах, ученые использовали антагонистические пары мышц в ноге для достижения еще более высокочастотных движений. Используя контроллер силы с открытым контуром (вверху на 3b), ученые успешно достигли частоты прыжков 3 Гц на различных ландшафтах (внизу на 3b), продемонстрировав ловкость и универсальность ноги. Прыжковое движение демонстрировало стабильные предельные циклы (3c), еще больше подчеркивая способность ноги выполнять точные и ловкие прыжковые маневры. При 3 Гц нога достигала высоты прыжка 80 мм и была динамически устойчива в вертикальных прыжках.

Также были протестированы высокочастотные модели движения без контакта с землей. Ученые использовали контроллер силы с открытым контуром со сдвинутыми по фазе синусоидальными сигналами для каждой мышцы (V_in; вверху на 3d) для достижения более частотных движений походки (внизу на 3d). Без контакта с землей нога демонстрировала беговое движение с частотой 5 Гц и линейное движение с частотой 10 Гц (внизу на 3d). Эта высокая частота иллюстрирует способность ноги выполнять быстрые и ловкие циклы походки. Результаты показывают, что антагонистические пары мышц могут по своей сути генерировать траектории движения походки, подобные человеческим. Было также отмечено, что диапазон движения стопы изменялся для разных рабочих частот с максимальной частотой 3 Гц (3e), что соответствовало естественной частоте системы ноги.

Изображение №4

Роботизированная нога, приводимая в действие мышцами с обратной связью, продемонстрировала врожденную адаптивность к изменениям рельефа. С контроллером силы прямой связи, который циклически генерировал один единственный шаблон срабатывания приложенного напряжения (4a), нога могла прыгать по различным естественным ландшафтам, таким как камни, песок, гравий и трава (4b; видео №4).

Видео №4

Ученые исследовали адаптивность локомоции ноги по различным ландшафтам, переходя между мягкими (губка) и твердыми (стол) поверхностями (4b). Нога демонстрировала циклическую прыгающую походку на губчатой поверхности, образуя устойчивый предельный цикл (вставка на 4b). Когда губка была удалена, нога сначала вошла в короткий хаотичный период, а затем плавно перешла от устойчивой прыгающей походки на губке к новой устойчивой прыгающей походке на столешнице (4c). Примечательно, что этот переход произошел по сути без каких-либо изменений в исходном данных управления.

Кроме того, была изучена способность ноги достигать мягкой посадки посредством обратной приводимости мышцы. Углы суставов ноги регистрировались, когда ее бросали с одной и той же высоты на поверхность с использованием различных постоянных напряжений срабатывания. Нога достигала мягкой посадки, просто поддерживая фиксированное напряжение (4d). Результаты также выявили настраиваемую жесткость ноги, где более низкие напряжения срабатывания приводили к более мягким посадкам с существенно более высокими изменениями углов суставов (4e) и большим компрессионным отскоком (4f). Эта функция мягкой посадки обеспечивается присущей мышце настраиваемой обратной актуацией и устраняет необходимость в сложных вычислительных контроллерах для регулировки жесткости ноги.

Изображение №5

Далее было проведено два эксперимента, демонстрирующих энергосберегающее передвижение ноги (видео №5). Во-первых, чтобы продемонстрировать высокую энергоэффективность передвижений, ученые оценили чистую энергетическую стоимость перемещения (COT от cost of transport) во время передвижений (5a, 5b). Было специально исследовано два разных типа походки: прыгающая и ползущая (ее можно увидеть в видео №5 с 00:28 до 00:35).

Видео №5

Также было определено влияние массы ноги на ее энергоэффективность. Было рассмотрено два сценария: во-первых, потенциальное снижение массы робота, достигаемое за счет дальнейшего облегчения приводов; во-вторых, увеличение массы при добавлении мобильных источников питания и аккумуляторов для автономной работы в будущем. Для проверки этих сценариев ученые отрегулировали массу противовеса на стойке, чтобы имитировать массу робота на пяти уровнях от 198 г до 391 г (от -27 г до +166 г).

Результаты показывают, что нога на стойке добилась желаемой низкой стоимости перемещения, что позволяет эффективно снизить потребление энергии. Примечательно, что нога достигла минимального чистого COT 0.73 при исходном весе 225 г и чистого COT 0.69 и 0.83 при уменьшенном весе 198 г и увеличенном весе 391 г соответственно. Интересно, что когда вес превысил 225 г, тип передвижения, который обеспечивает чистое COT, перешел от прыжков к ползанию. По сравнению с другими роботизированными ногами, PELE продемонстрировал отличные значения COT в этой цепочке масс робота (5b). Полученные результаты говорят о том, что электрогидравлическая мышечная система может обеспечить высокоэффективное передвижение беспривязных (автономных) шагающих роботов.

Также ученые провели сравнение PELE и ноги с бесщеточным двигателем постоянного тока, чтобы исследовать основные факторы, способствующие эффективному передвижению. Обе ноги выполняли циклическое приседание, в ходе чего были проведены измерения температуры и потребления энергии. Результаты выявили сильный контраст между двумя типами ног. Нога с двигателем постоянного тока показала существенное изменение температуры, что указывает на более высокое потребление энергии. Для сравнения, PELE не показала наблюдаемого изменения температуры (5c). Это открытие о тепловой потере предполагает, что электрогидравлические мышцы потребляют очень мало энергии (5d, 5e). В отличие от средней потребляемой мощности ноги с двигателем постоянного тока (25.3 Вт) во время приседания, PELE потреблял 306 мВт, то есть всего 1.2% от этих показателей. Кроме того, данные по энергопотреблению показали, что PELE потреблял всего 9.4 мВт для поддержания своего поднятого положения, в то время как нога с двигателем постоянного тока потребляла 17 Вт.

Ученые акцентируют внимание на том, что они использовали архитектуру прямого привода для эталонной ноги с двигателем постоянного тока. Современные ноги с двигателем постоянного тока с более высокими передаточными отношениями, вероятно, более эффективны, чем ноги с двигателем постоянного тока с прямым приводом, а ногу с двигателем постоянного тока можно оптимизировать для конкретных задач приседания. Тем не менее выбор подхода с прямым приводом был направлен на соответствие массе, обратной актуации, пропускной способности и простоте приводов, используемых для управления PELE. Такой выбор конструкции приводит к универсальности ноги с двигателем постоянного тока, используемой в различных задачах, отражая PELE, где одна конструкция достигала всех различных задач. Для двигателя постоянного тока (T-MOTOR, MN4006) критериями выбора были его вес и его выходной крутящий момент. Его вес был сопоставим с весом стеков Peano-HASEL, а его выходной крутящий момент соответствовал квазистатическим требованиям к крутящему моменту соединения (5f). Примечательно, что потребление мощности двигателя постоянного тока увеличивается с квадратом выходного крутящего момента (оранжевые линии на 5f). Напротив, Peano-HASEL демонстрирует постоянное, минимальное потребление мощности на всех уровнях крутящего момента при удержании позы (синяя линия на 5f).

Более того, когда PELE вернулся в исходное положение, значительная часть потенциальной энергии, полученной от вставания ноги, была отправлена обратно в источник питания (5d). В будущем есть потенциал рекуперации этой энергии, возвращающейся из приводов, с помощью подходящей приводной электроники. Предполагая, что есть возможность уловить всю энергию от разрядки приводов Peano-HASEL, среднее потребление энергии может достичь минимум 43 мВт вместо 306 мВт, указанных выше. Ученые рассчитали потенциал рекуперации энергии (ERP от energy recuperation potential) PELE, который составил 85%. ERP для ноги с двигателем постоянного тока был пренебрежимо мал для движений, заданных во время эксперимента, особенно учитывая значительные потери из-за выделения тепла. Эти результаты демонстрируют потенциал энергоэффективного передвижения с использованием электрогидравлических искусственных мышц в мобильных роботах.

Изображение №6

Далее была продемонстрирована способность ноги к самоощущению (самовосприятию) с помощью теста на обнаружение препятствий. Нога управлялась контроллером в реальном времени, когда она успешно самостоятельно распознавала столкновение с препятствием во время прыжка без какого-либо внешнего зрения, тактильных или угловых датчиков (6a, видео №6).

Видео №6

Значение емкости мышц типа HASEL использовалось для представления длины мышцы во время их активации (6b), как установлено в предыдущих исследованиях. Используя эту функцию самоощущения, ученые разработали контроллер для обнаружения столкновений (6c, 6d). Контроллер использовал циклические сигналы прямой связи в качестве выходного напряжения для ноги, позволяя ей прыгать, непрерывно вычисляя значения емкости в каждый момент выборки. Сравнивая текущие значения емкости со значениями из предыдущего цикла, контроллер мог определить определенную величину отклонения, сигнализируя о столкновении с препятствием. После обнаружения столкновения контроллер переключал режим управления на обход препятствия, облегчая восстановление положения ноги.

Во время эксперимента нога изначально циклически прыгала в нормальном режиме с частотой 3 Гц, чтобы набрать расстояние, а не высоту, прежде чем столкнуться с препятствием (зеленый на 6c). Впоследствии нога застряла у препятствия (серый на 6c), и подход к обнаружению столкновений быстро идентифицировал столкновение. После нескольких циклов застревания ноги контроллер динамически переключился в режим восстановления. В этом режиме частота прыжков ноги была снижена до 2 Гц, а колено было согнуто, в то время как бедро было вытянуто вперед в воздухе, что позволило ноге успешно освободиться от препятствия.

Успешная демонстрация способности ноги к самоощущению и эффективности подхода к управлению для обнаружения столкновений подчеркивает потенциал ноги для использования в ситуациях, когда робот не может использовать датчики.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали роботизированную ногу с искусственными мышцами, которая имитирует грациозность, легкость и точность движений диких животных. Основное достоинство данной разработки заключается в адаптивности системы к изменяющимся условиям рельефа местности, низком энергопотреблении и способности самостоятельно определять и преодолевать препятствия.

Разработанная нога была оснащена электрогидравлическими приводами (HASEL), прикрепленными к скелету сухожилиями. HASEL служат своего рода имитацией мышц, сокращение и расслабление которых обеспечивает движение у людей и животных. Приводы представляют собой заполненные маслом пластиковые пакеты. Примерно половина каждого пакета покрыта с обеих сторон черным электродом из проводящего материала. При подаче напряжения на электроды, они начинают притягиваться из-за статического электричества. Увеличение напряжение приводит к перемещению масла в пакете в одну сторону, что делает его короче (другими словами, сокращает его).

Пары таких приводов, прикрепленные к скелету робота, работают так же, как и мышцы животных: когда одна укорачивается, то другая удлиняется. С помощью контроллера (специального кода) возможно модулировать данные сокращения.

Во время опытов робот, оснащенные вышеописанными ногами мог успешно перемещаться по самым разным субстратам (песок, гравий, камни и трава). Также была продемонстрирована адаптивность робота к смене поверхности (мягкая губка на твердую столешницу) в реальном времени. Робот мог не только ходить, но и ползать и прыгать. Подвижность и гибкость роботизированных ног была подтверждена и во время опытов по столкновению с препятствиями, когда робот переходил в режим восстановления, чтобы удержать равновесие и продолжить движение. Важно и то, что данный режим активировался без каких-либо внешних датчиков (камер).

Еще одним достоинством разработки является его энергоэффективность. Во время сравнительных тестов, где в качестве контроля использовалась нога с управлением постоянного тока, потребляемая мощность разработанной ноги составила всего 1.2% от такой у контроля.

Ученые честно признают, что их система пока еще далека от идеала и требует множества доработок. Однако уже на данном этапе исследования видно, что ее потенциал крайне велик. Повышение мобильности и совершенствование локомоции автономных роботов значительно повысит их эффективность и спектр потенциального практического применения. Условия в реальной жизни далеки от лабораторных, в частности рельеф поверхности, по которой робот должен передвигаться, может быть не только сложным, но и постоянно меняющимся. Следовательно, автономные роботы будущего должны разрабатываться с учетом этого непостоянства.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?