Японцы научили человекоподобного робота кататься на офисном стуле

Инженеры из Токийского университета разработали алгоритм управления для мускульно-скелетного двуногого робота MusashiOLegs, который позволяет ему передвигаться, сидя на офисном стуле с колесами, отталкиваясь ногами от пола. Робота научили трем основным движениям «ходьбы сидя»: он может двигаться вперед, назад и разворачиваться на одном месте. Кроме этого, робот может перевозить груз. Препринт статьи опубликован на сайте arXiv.org.

Люди легко могут передвигаться, используя окружающую среду в качестве опоры, например, ходить, держась за перила, или передвигаться ползком. В то же время ходячим двуногим роботам, в отличие от людей, обычно не так просто использовать предметы окружения для помощи в передвижении. Это можно объяснить недостатками системы восприятия и сложностью моделирования окружения в реальном времени, из-за чего не удается обеспечить достаточного количества данных и такую точность, чтобы робот мог эффективно взаимодействовать с внешней средой.

Тем не менее инженеры работают в этом направлении. Например, несколько лет назад группа разработчиков из Токийского университета под руководством Масаюки Инабы (Masayuki Inaba) разработала для полноразмерного гуманоидного робота алгоритм удержания баланса, позволяющий ему ездить, стоя на подвижных устройствах с пассивными колесами, таких как скейтборд или роликовые коньки. В своей новой работе инженеры решили исследовать еще один тип передвижения, получивший название «ходьба сидя». Он возникает, когда человекоподобный робот сидит на устройстве на пассивных колесах, таком как офисный стул, и передвигается, отталкиваясь ногами от земли — так же, как это делают люди.

Выбор инженеров пал на двуногого мускульно-скелетного робота под названием MusashiOLegs, конструкция которого имитирует человеческую мускулатуру и скелет. Вместо одиночных тяг в роли его мышц выступают плоские межскелетные структуры, состоящие из слоев материала со встроенными «мышечными волокнами» из синтетических тросов. Мышечные модули включают в себя также электромоторы, шкивы и датчики, измеряющие температуру мышц, их натяжение и длину. Всего в роботе насчитывается 13 суставов, включая суставы туловища, бедер и коленей. Углы их установки могут измеряться напрямую. Кроме этого, в ступнях MusashiOLegs установлены тензодатчики, определяющие силу давления ног на пол. К этим сенсорам инженеры также добавили пару ягодичных датчиков контакта, установленных на плоские мышечные структуры ягодиц. Они определяют давление между ягодицами робота и сидением стула, что позволяет роботу поддерживать баланс во время движения.

Гибкая структура MusashiOLegs затрудняет точное моделирование его динамики и кинематики, поэтому для его обучения «сидячей ходьбе» был выбран простой метод обучения с ограничениями, в рамках которого движение робота разбивается на отдельные состояния с явными условиями перехода между ними. При этом в каждом из состояний робот управляется только одним параметром, например, углом наклона корпуса или положением ноги. Человеком заранее задаются функции, определяющие, как изменение управляющего параметра влияет на движение робота и какие условия должны быть выполнены для перехода в следующее состояние. После этого робота обучают двигаться вручную с помощью консоли в интерфейсе управления, изменяя необходимые параметры. Например, для движения «вперед» необходимо провести робота через четыре состояния: наклон корпуса назад, подъем ног, наклон корпуса вперед и сгибание ног в коленях. Когда достигается желаемое состояние по одному параметру, робот переводится в следующее, а значение сенсоров в этот момент, соответствующее условию перехода (например, сила контакта стоп с полом), запоминается как пороговое значение для данного перехода.

После завершения обучения инженеры провели эксперименты, в которых MusashiOLegs, сидящий на офисном стуле с самоориентирующимися пассивными роликами, самостоятельно воспроизводил заученные движения «ходьбы сидя». Перемещения робота отслеживались с помощью установленной на спинке стула стереокамеры Intel RealSense. Робот успешно продемонстрировал все три основных движения: вперед, назад и вращение на одном месте. Скорость выполнения переходов между состояниями при этом была выше, чем при обучении.

При движении «вперед» балансировка на основе данных от датчиков давления в ягодицах значительно улучшила стабильность робота, предотвращая его падение. Наконец, в последнем эксперименте MusashiOLegs успешно выполнил задачу переноса груза, в роли которого выступила тряпичная сумка, висящая на его плече. Траектория движения робота в этом испытании включала четыре последовательных перемещения вперед, один поворот вправо и еще два перемещения вперед.

В дальнейшем разработчики планируют научить робота автоматически определять необходимые параметры для движения, основываясь на анализе данных сенсоров. Планируется также перейти от одномерного управления к управлению несколькими степенями свободы одновременно, что позволит создавать более сложные движения. Интеграция дополнительных сенсоров и алгоритмов построения маршрута, помогут роботу на стуле с роликами передвигаться самостоятельно, а дополнительные манипуляторы позволят выполнять более сложные задачи взаимодействия с предметами.

У робота MusashiOLegs всего 13 суставов и отсутствуют руки. Однако в лаборатории под руководством Масаюки Инабы ранее были созданы более продвинутые и сложные модели человекоподобных роботов с аналогичной мускульно-скелетной архитектурой. Роботы Kenshiro и Кengoro имеют 64 и 114 степеней свободы соответственно, а их конструкция анатомически схожа с человеческим телом пропорциями, структурой скелета, расположением мышц и работой суставов.