Роботизированный прорыв, который имитирует эффективность человеческой ходьбы

краткое содержание: Исследователи добились большого прогресса в робототехнике, воспроизведя человеческую ходьбу с переменной скоростью, используя модель опорно-двигательного аппарата. Эта модель, основанная на методе рефлекторного управления, аналогичном нервной системе человека, расширяет наше понимание движений человека и устанавливает новые стандарты для робототехнических технологий.

В исследовании использовался инновационный алгоритм для повышения энергоэффективности при различных скоростях ходьбы. Этот прорыв открывает путь для будущих инноваций в области двуногих роботов, протезов и экзоскелетов с электроприводом.

Ключевые факты:

1. Команда Университета Тохоку успешно воспроизвела механику ходьбы человека в роботизированной модели, отражающей сложность скелетно-мышечной и нервной систем человека.
2. Разработан усовершенствованный алгоритм для повышения энергоэффективности, что необходимо для воспроизведения естественной ходьбы человека с переменной скоростью.
3. Это исследование имеет огромный потенциал для развития двуногих роботов, протезов и экзоскелетов с электроприводом, улучшения повседневной мобильности и робототехнических решений.

источник: Университет Тохоку

Обычно мы не думаем об этом, делая это, но ходьба – сложная задача. Кости, суставы, мышцы, сухожилия, связки и другие соединительные ткани (т. е. скелетно-мышечная система), контролируемые нашей нервной системой, должны двигаться согласованно и реагировать на неожиданные изменения или нарушения с различной скоростью и очень эффективным образом. Воспроизвести это в роботизированных технологиях – непростая задача.

Теперь исследовательская группа из Высшей инженерной школы Университета Тохоку воспроизвела человеческую ходьбу с переменной скоростью, используя модель опорно-двигательного аппарата, которая управляется методом рефлекторного контроля, который отражает человеческую нервную систему. Этот прорыв в биомеханике и робототехнике устанавливает новый стандарт понимания движений человека и открывает путь для инновационных технологий робототехники.

Подробности их исследования были опубликованы в журнале. PLoS Вычислительная биология 19 января 2024 г.

«Наше исследование решило сложную задачу воспроизведения эффективной ходьбы с разной скоростью – краеугольного камня механизма ходьбы человека», – говорит доцент Дай Аоаки, соавтор исследования вместе с Сюнсуке Косеки и профессором Мицухиро Хаясибе.

«Эти идеи имеют решающее значение для расширения границ понимания человеческого движения, адаптации и эффективности».

Достижение произошло благодаря инновационному алгоритму. Алгоритм вышел за рамки традиционного метода наименьших квадратов и помог разработать улучшенную модель нейронной цепи для достижения энергоэффективности при различных скоростях ходьбы.

Обширный анализ этих нейронных цепей, особенно тех, которые контролируют мышцы в фазе качания ног, выявил важные элементы стратегий энергоэффективной ходьбы. Эти открытия расширяют наше понимание сложных механизмов нейронных сетей, которые поддерживают походку человека и ее эффективность.

Аваки подчеркивает, что знания, выявленные в исследовании, помогут заложить основу для будущего технологического прогресса.

«Успешное моделирование ходьбы с переменной скоростью в скелетно-мышечной модели в сочетании со сложными нейронными цепями представляет собой важнейший шаг в интеграции нейробиологии, биомеханики и робототехники. Это произведет революцию в проектировании и разработке высокопроизводительных двуногих роботов, усовершенствованных протезы и усовершенствованные экзоскелеты с питанием.

Такие разработки могут улучшить решения в области мобильности для людей с ограниченными возможностями и продвинуть роботизированные технологии, используемые в повседневной жизни.

Заглядывая в будущее, Аваки и его команда надеются и дальше совершенствовать систему рефлекторного контроля, чтобы воссоздать более широкий диапазон скоростей и движений человека. Они также планируют применить идеи и алгоритмы исследования для создания более адаптивных и энергоэффективных протезов, электрокостюмов и двуногих роботов. Это предполагает интеграцию в эти приложения определенных нейронных цепей для повышения их функциональности и естественности движений.

Об этих новостях исследований в области робототехники

автор: Связи с общественностью
источник: Университет Тохоку
коммуникация: Связи с общественностью — Университет Тохоку
картина: Изображение предоставлено Neuroscience News.

Исходный поиск: Открытый доступ.
«Выявление ключевых факторов для энергоэффективного управления походкой в ​​широком диапазоне скоростей в рефлекторных опорно-двигательных системах.«Дай Аоаки и др. PLOS Вычислительная биология

Резюме

Выявление ключевых факторов для энергоэффективного управления походкой в ​​широком диапазоне скоростей в рефлекторных опорно-двигательных системах.

Люди могут генерировать и поддерживать широкий диапазон скоростей ходьбы, одновременно повышая свою энергоэффективность. Понимание сложных механизмов, управляющих походкой человека, будет способствовать разработке таких инженерных приложений, как энергоэффективные двуногие роботы и вспомогательные устройства для ходьбы. Механизмы управления, основанные на рефлексах, которые генерируют двигательные паттерны в ответ на сенсорную обратную связь, показали себя многообещающе в создании человеческой походки на моделях опорно-двигательного аппарата.

Однако точное регулирование скорости остается серьезной проблемой. Это ограничение затрудняет выявление рефлекторных цепей, необходимых для энергоэффективной ходьбы. Чтобы изучить механизм рефлекторного управления и лучше понять механизм энергосберегающего обслуживания, мы расширили систему управления, основанную на рефлексах, чтобы обеспечить контролируемую скорость ходьбы в зависимости от целевой скорости.

Мы разработали новый метод наименьших квадратов, взвешенный по характеристикам (PWLS), для разработки модулятора параметров, который повышает эффективность ходьбы, сохраняя при этом целевую скорость для двуногой системы, основанной на рефлексах.

Мы успешно сгенерировали походку со скоростью от 0,7 до 1,6 м/с в двухмерной модели опорно-двигательного аппарата на основе целевой скорости для ввода в среду моделирования. Наш подробный анализ модулятора параметров в системе, основанной на инверсии, выявил две основные схемы инверсии, которые оказывают существенное влияние на энергоэффективность.

Кроме того, было подтверждено, что на этот результат не влияют настройки параметров, то есть длина ноги, сенсорная задержка времени и весовые коэффициенты в целевой функции стоимости.

Эти результаты предоставляют мощный инструмент для изучения нейронных основ управления движением, подчеркивая при этом сложные механизмы, лежащие в основе ходьбы человека, и имеют большой потенциал для практического инженерного применения.