Robotický průlom, který napodobuje efektivitu lidské chůze

souhrn: Vědci udělali velký pokrok v robotice replikací chůze s proměnlivou rychlostí jako u člověka pomocí muskuloskeletálního modelu. Tento model, vedený metodou reflexního ovládání podobnou lidskému nervovému systému, rozšiřuje naše chápání lidského pohybu a nastavuje nové standardy pro robotickou technologii.

Studie použila inovativní algoritmus ke zlepšení energetické účinnosti při různých rychlostech chůze. Tento průlom připravuje cestu pro budoucí inovace v oblasti bipedálních robotů, protetiky a poháněných exoskeletonů.

Klíčová fakta:

1. Tým Tohoku University úspěšně replikoval mechaniku lidské chůze v robotickém modelu, který odráží složitost lidského muskuloskeletálního a nervového systému.
2. Je vyvinut pokročilý algoritmus pro zlepšení energetické účinnosti, který je nezbytný pro replikaci přirozené chůze lidí proměnlivou rychlostí.
3. Tento výzkum skrývá obrovský potenciál pro pokrok v bipedálních robotech, protetice a poháněných exoskeletech, což zlepšuje každodenní mobilitu a robotická řešení.

zdroj: Univerzita Tohoku

Při tom na to většinou nemyslíme, ale chůze je složitý úkol. Kosti, klouby, svaly, šlachy, vazy a další pojivové tkáně (tj. muskuloskeletální systém), ovládané naším nervovým systémem, se musí pohybovat koordinovaně a reagovat na neočekávané změny nebo poruchy různou rychlostí a vysoce účinným způsobem. Replikovat to v robotických technologiích není snadný úkol.

Nyní výzkumná skupina z Tohoku University Graduate School of Engineering replikovala lidskou chůzi s proměnlivou rychlostí pomocí muskuloskeletálního modelu – modelu, který je veden metodou reflexní kontroly, která zrcadlí lidský nervový systém. Tento průlom v biomechanice a robotice nastavuje nový standard pro pochopení lidského pohybu a připravuje cestu pro inovativní robotické technologie.

Podrobnosti o jejich studii byly zveřejněny v časopise PLoS výpočetní biologie Dne 19. ledna 2024.

„Naše studie se zabývala složitým problémem replikace efektivní chůze při různých rychlostech – základním kamenem mechanismu lidské chůze,“ říká docent Dai Aoaki, spoluautor studie se Shunsukem Kosekim a profesorem Mitsuhiro Hayashibe.

„Tyto myšlenky jsou klíčové při posouvání hranic v chápání lidského pohybu, adaptace a efektivity.“

Úspěch byl díky inovativnímu algoritmu. Algoritmus se vyvinul nad rámec tradiční metody nejmenších čtverců a pomohl navrhnout vylepšený model neurálního okruhu pro dosažení energetické účinnosti při různých rychlostech chůze.

Rozsáhlá analýza těchto nervových okruhů, zejména těch, které ovládají svaly ve fázi švihu nohou, odhalila důležité prvky energeticky účinných strategií chůze. Tyto objevy posouvají naše chápání složitých mechanismů neuronové sítě, které podporují lidskou chůzi a její účinnost.

Awaki zdůrazňuje, že poznatky odhalené ve studii pomohou položit základy budoucího technologického pokroku.

„Úspěšná simulace chůze při proměnlivých rychlostech v muskuloskeletálním modelu v kombinaci se sofistikovanými nervovými obvody představuje klíčový pokrok v integraci neurověd, biomechaniky a robotiky. Přinese revoluci do návrhu a vývoje vysoce výkonných dvounohých robotů, pokročilých protetiky a pokročilé exoskeletony, které Powered.

Takový vývoj může zlepšit řešení mobility pro osoby se zdravotním postižením a posunout robotické technologie používané v každodenním životě.

Při pohledu do budoucnosti Awaki a jeho tým doufají, že dále zlepší rámec kontroly reflexů, aby znovu vytvořili širší rozsah rychlostí a pohybů lidské chůze. Plánují také použít poznatky a algoritmy ze studie k vytvoření adaptivnější a energeticky účinnější protetiky, motorových obleků a bipedálních robotů. To zahrnuje integraci specifických nervových obvodů do těchto aplikací, aby se zvýšila jejich funkčnost a přirozenost pohybu.

O těchto novinkách ve výzkumu robotiky

autor: Vztahy s veřejností
zdroj: Univerzita Tohoku
sdělení: Public Relations – Tohoku University
obrázek: Obrázek připsán Neuroscience News

Původní vyhledávání: Otevřený přístup.
„Identifikace klíčových faktorů pro energeticky účinnou kontrolu chůze v širokém rozsahu rychlostí v reflexních muskuloskeletálních systémech„Od Dai Aoaki et al. PLOS výpočetní biologie

shrnutí

Identifikace klíčových faktorů pro energeticky účinnou kontrolu chůze v širokém rozsahu rychlostí v reflexních muskuloskeletálních systémech

Lidé mohou vytvářet a udržovat široký rozsah rychlostí chůze a zároveň zlepšovat svou energetickou účinnost. Pochopení složitých mechanismů, které řídí lidskou chůzi, přispěje k inženýrským aplikacím, jako jsou energeticky účinné bipedální roboty a zařízení na podporu chůze. Reflexní kontrolní mechanismy, které generují motorické vzorce v reakci na senzorickou zpětnou vazbu, se ukázaly jako slibné při generování lidské chůze v muskuloskeletálních modelech.

Velkým problémem však zůstává přesná regulace rychlosti. Toto omezení ztěžuje identifikaci reflexních okruhů nezbytných pro energeticky efektivní chůzi. Abychom prozkoumali mechanismus ovládání reflexů a lépe porozuměli energeticky účinnému mechanismu údržby, rozšířili jsme kontrolní systém založený na reflexech tak, aby umožňoval řízenou rychlost chůze na základě cílových rychlostí.

Vyvinuli jsme novou metodu nejmenších čtverců vážených výkonem (PWLS), abychom navrhli modulátor parametrů, který zlepšuje efektivitu chůze při zachování cílové rychlosti pro reflexní bipedální systém.

Úspěšně jsme generovali chůze od 0,7 do 1,6 m/s ve 2D muskuloskeletálním modelu založeném na cílové rychlosti pro vstup do simulačního prostředí. Naše podrobná analýza modulátoru parametrů v systému založeném na inverzi odhalila dva hlavní inverzní obvody, které mají významný vliv na energetickou účinnost.

Dále bylo potvrzeno, že tento výsledek není ovlivněn nastavením parametrů, tj. délky nohy, senzorického časového zpoždění a váhových koeficientů ve funkci objektivních nákladů.

Tato zjištění poskytují mocný nástroj pro zkoumání nervových základů řízení pohybu a zároveň zdůrazňují složité mechanismy, které jsou základem lidské chůze, a mají velký potenciál pro praktické inženýrské aplikace.