Egy robotos áttörés, amely utánozza az emberi járás hatékonyságát

összefoglaló: A kutatók jelentős előrelépést értek el a robotika terén azzal, hogy egy izom-csontrendszeri modell segítségével megismételték az emberhez hasonló változó sebességű gyaloglást. Ez a modell, amelyet az emberi idegrendszerhez hasonló reflexvezérlési módszer vezérel, fejleszti az emberi mozgás megértését, és új mércét állít fel a robottechnológia számára.

A tanulmány egy innovatív algoritmust használt az energiahatékonyság javítására a különböző járási sebességeknél. Ez az áttörés megnyitja az utat a jövőbeli innovációk előtt a kétlábú robotok, a protézisek és a motoros exoskeletonok terén.

Legfontosabb tényeket:

1. A Tohoku Egyetem csapata sikeresen reprodukálta az emberi gyaloglás mechanikáját egy robotmodellben, tükrözve az emberi mozgásszervi és idegrendszer összetettségét.
2. Fejlett algoritmust fejlesztettek ki az energiahatékonyság javítására, ami elengedhetetlen az emberek természetes, változó sebességű gyaloglásának megismétléséhez.
3. Ez a kutatás hatalmas előrelépési lehetőséget rejt magában a kétlábú robotok, a protézisek és a motoros exoskeletonok terén, javítva a mindennapi mobilitást és a robotikai megoldásokat.

forrás: Tohoku Egyetem

Általában nem gondolunk erre közben, de a séta összetett feladat. Az idegrendszerünk által irányított csontoknak, ízületeknek, izmoknak, inaknak, szalagoknak és egyéb kötőszöveteknek (azaz a mozgásszervi rendszernek) koordináltan kell mozogniuk, és változó sebességgel és rendkívül hatékonyan kell reagálniuk a váratlan változásokra vagy zavarokra. Ennek megismétlése a robottechnológiákban nem könnyű feladat.

A Tohoku Egyetem Graduate School of Engineering-jének kutatócsoportja most megismételte az emberhez hasonló változó sebességű gyaloglást egy izom-csontrendszeri modell segítségével, amelyet az emberi idegrendszert tükröző reflexszabályozási módszer vezérel. Ez az áttörés a biomechanikában és a robotikában új mércét állít fel az emberi mozgás megértésében, és megnyitja az utat az innovatív robotikai technológiák előtt.

Tanulmányuk részleteit a folyóiratban közölték PLoS számítási biológia 2024. január 19-én.

„Tanulmányunk a hatékony, különböző sebességű gyaloglás megismétlésének összetett kihívásával foglalkozott – ez az emberi járási mechanizmus sarokköve” – mondja Dai Aoaki docens, a tanulmány társszerzője Shunsuke Kosekivel és Mitsuhiro Hayashibe professzorral.

„Ezek az ötletek kulcsfontosságúak az emberi mozgás, az alkalmazkodás és a hatékonyság megértésében a határok feszegetésében.”

Az eredmény egy innovatív algoritmusnak köszönhető. Az algoritmus túlmutat a hagyományos legkisebb négyzetek módszerén, és segített egy továbbfejlesztett neurális áramköri modell kidolgozásában az energiahatékonyság eléréséhez különböző járási sebességeken.

Ezen idegi áramkörök kiterjedt elemzése, különösen azoké, amelyek a láblendítés fázisában az izmokat irányítják, feltárta az energiahatékony gyaloglási stratégiák fontos elemeit. Ezek a felfedezések elősegítik az emberi járást és annak hatékonyságát támogató komplex neurális hálózati mechanizmusok megértését.

Awaki hangsúlyozza, hogy a tanulmányban feltárt tudás segít lefektetni a jövőbeli technológiai fejlődés alapjait.

„A változó sebességű járás sikeres szimulációja egy izom- és vázrendszeri modellben, kifinomult idegi áramkörökkel kombinálva, kulcsfontosságú előrelépést jelent az idegtudomány, a biomechanika és a robotika integrációjában. Forradalmasítja a nagy teljesítményű kétlábú, fejlett robotok tervezését és fejlesztését. protézisek és fejlett exoskeletonok, amelyek Powered.

Az ilyen fejlesztések javíthatják a fogyatékossággal élő egyének mobilitási megoldásait, és továbbfejleszthetik a mindennapi életben használt robottechnológiákat.

A jövőt tekintve Awaki és csapata azt reméli, hogy tovább fejlesztik a reflexvezérlési keretet, hogy az emberi járási sebességek és mozgások szélesebb skáláját hozza létre. Azt is tervezik, hogy a tanulmányból származó betekintéseket és algoritmusokat alkalmazzák adaptívabb és energiahatékonyabb protézisek, motoros öltönyök és kétlábú robotok létrehozására. Ez magában foglalja a speciális neurális áramkörök integrálását ezekbe az alkalmazásokba, hogy javítsák funkcionalitásukat és a mozgás természetességét.

Erről a robotikai kutatási hírről

szerző: Közkapcsolatok
forrás: Tohoku Egyetem
kommunikáció: Public Relations – Tohoku Egyetem
kép: A kép a Neuroscience News jóvoltából

Eredeti keresés: Nyílt hozzáférésű.
„Az energiahatékony járásszabályozás kulcstényezőinek azonosítása a sebességek széles tartományában a reflex alapú mozgásszervi rendszerekbenDai Aoaki et al. PLOS számítási biológia

összefoglaló

Az energiahatékony járásszabályozás kulcstényezőinek azonosítása a sebességek széles tartományában a reflex alapú mozgásszervi rendszerekben

Az emberek a járási sebességek széles tartományát képesek létrehozni és fenntartani, miközben javítják energiahatékonyságukat. Az emberi járást irányító összetett mechanizmusok megértése hozzájárul az olyan mérnöki alkalmazásokhoz, mint az energiahatékony kétlábú robotok és a gyaloglást segítő eszközök. A reflex-alapú vezérlőmechanizmusok, amelyek az érzékszervi visszacsatolás hatására motoros mintákat generálnak, ígéretesnek bizonyultak az emberhez hasonló járás létrehozásában a mozgásszervi modellekben.

A pontos sebességszabályozás azonban továbbra is komoly kihívást jelent. Ez a korlátozás megnehezíti az energiahatékony gyalogláshoz nélkülözhetetlen reflex áramkörök azonosítását. A reflexvezérlési mechanizmus feltárása és az energiahatékony karbantartási mechanizmus jobb megértése érdekében kibővítettük a reflexalapú vezérlőrendszert, hogy lehetővé tegye a célsebességen alapuló szabályozott gyaloglási sebességet.

Kifejlesztettünk egy új teljesítmény-súlyozott legkisebb négyzetek (PWLS) módszert egy olyan paramétermodulátor tervezésére, amely javítja a járás hatékonyságát, miközben megtartja a reflex alapú kétlábú rendszer célsebességét.

Sikeresen generáltunk 0,7 és 1,6 m/s közötti járást egy 2D izom-csontrendszeri modellben a célsebesség alapján a szimulációs környezetbe történő bevitelhez. A paramétermodulátor részletes elemzése egy inverziós rendszerben két fő inverziós áramkört tárt fel, amelyek jelentős hatással vannak az energiahatékonyságra.

Továbbá megerősítést nyert, hogy ezt az eredményt nem befolyásolja a paraméterek beállítása, azaz a lábhossz, a szenzoros időkésleltetés és a súlytényezők az objektív költségfüggvényben.

Ezek az eredmények hatékony eszközt kínálnak a mozgásszabályozás idegi alapjainak feltárásához, miközben kiemelik az emberi járás mögött meghúzódó összetett mechanizmusokat, és nagy lehetőségeket rejtenek a gyakorlati mérnöki alkalmazásokban.