Роботизиран пробив, който имитира ефективността на човешкото ходене

резюме: Изследователите постигнаха голям напредък в роботиката, като възпроизвеждат подобно на човек ходене с променлива скорост, използвайки мускулно-скелетен модел. Този модел, ръководен от рефлексен контролен метод, подобен на човешката нервна система, подобрява нашето разбиране за човешкото движение и поставя нови стандарти за роботизираната технология.

Проучването използва иновативен алгоритъм за подобряване на енергийната ефективност при различни скорости на ходене. Този пробив проправя пътя за бъдещи иновации в двукраките роботи, протезите и задвижваните екзоскелети.

Ключови факти:

1. Екипът на университета Тохоку успешно възпроизвежда механиката на човешкото ходене в роботизиран модел, отразяващ сложността на мускулно-скелетната и нервната система на човека.
2. Разработен е усъвършенстван алгоритъм за подобряване на енергийната ефективност, което е от съществено значение за възпроизвеждане на естественото ходене с променлива скорост на хората.
3. Това изследване притежава огромен потенциал за напредък в двукраките роботи, протезите и задвижваните екзоскелети, подобрявайки ежедневната мобилност и решенията за роботика.

източник: Университет Тохоку

Обикновено не мислим за това, докато го правим, но ходенето е сложна задача. Костите, ставите, мускулите, сухожилията, връзките и други съединителни тъкани (т.е. мускулно-скелетната система), контролирани от нашата нервна система, трябва да се движат координирано и да реагират на неочаквани промени или смущения с различна скорост и по много ефективен начин. Възпроизвеждането на това в роботизирани технологии не е лесен подвиг.

Сега изследователска група от висшето училище по инженерство на университета Тохоку възпроизведе подобно на човек ходене с променлива скорост, използвайки мускулно-скелетен модел – такъв, който се ръководи от метод за контрол на рефлекса, който отразява човешката нервна система. Този пробив в биомеханиката и роботиката поставя нов стандарт за разбиране на човешкото движение и проправя пътя за иновативни технологии за роботика.

Подробности за изследването им са публикувани в списанието PLoS изчислителна биология На 19 януари 2024г.

„Нашето проучване се занимава със сложното предизвикателство за възпроизвеждане на ефективно ходене с различни скорости – крайъгълен камък на човешкия механизъм за ходене“, казва доцент Дай Аоаки, съавтор на изследването с Шунсуке Косеки и професор Мицухиро Хаяшибе.

„Тези идеи са ключови за разширяването на границите в разбирането на човешкото движение, адаптация и ефективност.“

Постижението е благодарение на иновативен алгоритъм. Алгоритъмът се разви отвъд традиционния метод на най-малките квадрати и помогна за разработването на подобрен модел на невронна верига за постигане на енергийна ефективност при различни скорости на ходене.

Обширен анализ на тези невронни вериги, особено тези, контролиращи мускулите във фазата на люлеене на крака, разкри важни елементи от енергийно ефективни стратегии за ходене. Тези открития подобряват нашето разбиране за сложните механизми на невронни мрежи, които поддържат човешката походка и нейната ефективност.

Ауаки подчертава, че знанието, разкрито в проучването, ще помогне да се положат основите за бъдещия технологичен прогрес.

„Успешната симулация на ходене с променливи скорости в мускулно-скелетен модел, съчетана със сложни невронни вериги, представлява основен напредък в интегрирането на неврологията, биомеханиката и роботиката. Това ще революционизира дизайна и разработването на високопроизводителни двукраки роботи, напреднали протези и усъвършенствани екзоскелети, които захранват.

Такива разработки могат да подобрят решенията за мобилност за хора с увреждания и да усъвършенстват роботизираните технологии, използвани в ежедневието.

Гледайки към бъдещето, Ауаки и неговият екип се надяват да подобрят допълнително рамката за контрол на рефлекса, за да пресъздадат по-широк диапазон от човешки скорости и движения при ходене. Те също така планират да приложат прозрения и алгоритми от проучването, за да създадат по-адаптивни и енергийно ефективни протези, задвижвани костюми и двукраки роботи. Това включва интегриране на специфични невронни вериги в тези приложения за подобряване на тяхната функционалност и естественост на движение.

Относно тези новини за изследване на роботиката

автор: Връзки с обществеността
източник: Университет Тохоку
комуникация: Връзки с обществеността – Университет Тохоку
снимка: Изображението е кредитирано на Neuroscience News

Оригинално търсене: Свободен достъп.
„Идентифициране на ключови фактори за енергийно ефективен контрол на походката в широк диапазон от скорости в базирани на рефлекси мускулно-скелетни системи„От Dai Aoaki et al. PLOS изчислителна биология

резюме

Идентифициране на ключови фактори за енергийно ефективен контрол на походката в широк диапазон от скорости в базирани на рефлекси мускулно-скелетни системи

Хората могат да генерират и поддържат широк диапазон от скорости на ходене, като същевременно подобряват своята енергийна ефективност. Разбирането на сложните механизми, които управляват човешкото ходене, ще допринесе за инженерни приложения като енергийно ефективни двукраки роботи и помощни устройства за ходене. Базираните на рефлекс контролни механизми, които генерират двигателни модели в отговор на сензорна обратна връзка, са показали обещание за генериране на човешка походка в мускулно-скелетни модели.

Прецизното регулиране на скоростта обаче остава основно предизвикателство. Това ограничение затруднява идентифицирането на рефлексни вериги, които са от съществено значение за енергийно ефективното ходене. За да проучим механизма за управление на рефлекса и да разберем по-добре енергийно ефективния механизъм за поддръжка, ние разширихме системата за управление, базирана на рефлекс, за да позволим контролирани скорости на ходене въз основа на целевите скорости.

Ние разработихме нов метод на най-малките квадрати с претеглена ефективност (PWLS), за да проектираме модулатор на параметри, който подобрява ефективността при ходене, като същевременно поддържа целевата скорост за базирана на рефлекс двукрака система.

Успешно генерирахме походки при ходене от 0,7 до 1,6 m/s в 2D мускулно-скелетен модел въз основа на целевата скорост за въвеждане в симулационната среда. Нашият подробен анализ на модулатора на параметрите в система, базирана на инверсия, разкри две основни вериги на инверсия, които оказват значително влияние върху енергийната ефективност.

Освен това беше потвърдено, че този резултат не се влияе от настройката на параметрите, т.е. дължина на крака, забавяне на сензорното време и коефициенти на тегло във функцията на обективните разходи.

Тези констатации предоставят мощен инструмент за изследване на невронните основи на контрола на движението, като същевременно подчертават сложните механизми, лежащи в основата на човешкото ходене, и имат голям потенциал за практически инженерни приложения.