Robot zvládá terén pomocí přechodů chůze připomínajících zvířata

souhrn: Výzkumníci využili učení hlubokého posílení (DRL), aby robotovi umožnili adaptivně přepínat svou chůzi a napodobovat pohyby zvířat, jako je klus a cval, aby efektivně procházel složitým terénem. Jejich studie zkoumá koncept schopnosti přežití – neboli prevence pádů – jako primární hnací sílu takových přechodů chůze, čímž zpochybňuje předchozí přesvědčení, že hlavní hnací silou je energetická účinnost.

Tento nový přístup nejen zlepšuje schopnost robota zvládat obtížný terén, ale také poskytuje hlubší vhled do pohybu zvířat. Zjištění týmu naznačují, že upřednostnění prevence pádů může vést k flexibilnějšímu a efektivnějšímu robotickému a biologickému pohybu po nerovných površích.

Klíčová fakta:

1. Přizpůsobení chůze k přežití: Robot EPFL DRL byl použit k naučení přechodů při chůzi především za účelem kontinuity a efektivně přizpůsobil své pohybové strategie, aby se zabránilo pádu při procházení terénem s mezerami.
2. Přehodnocení energetické účinnosti: Na rozdíl od předchozích teorií studie zjistila, že zlepšení energetické účinnosti je spíše důsledkem než řidičem přechodů chůze v náročných prostředích.
3. Biologicky inspirovaná robotická obratnost: Výzkum demonstroval bioinspirovanou architekturu učení, která umožňovala spontánní přechody chůze řízené učením, což prokázalo pokročilou robotickou obratnost při navigaci přes postupné mezery v experimentálním terénu.

zdroj: EPFL

S pomocí formy strojového učení zvaného hluboké zesílení učení (DRL) se robot EPFL specificky naučil přejít z klusu do chůze – chůzi podepřené poskakováním, kterou používají zvířata, jako jsou skokani a jeleni – k procházení obtížným terénem. s mezerami 14-30 cm.

Studie, kterou provedla BioRobotics Laboratory na Fakultě inženýrství EPFL, poskytuje nový pohled na to, proč a jak k takovým transformacím chůze u zvířat dochází.

„Předchozí výzkum prezentoval energetickou účinnost a vyhýbání se muskuloskeletálním zraněním jako hlavní vysvětlení posunů chůze V poslední době biologové uvedli, že stabilita na rovném terénu by mohla být důležitější.“

„Ale experimenty se zvířaty a roboty ukázaly, že tyto hypotézy nejsou vždy správné, zvláště na nerovném terénu,“ říká doktorand Milad Shafii, první autor článku publikovaného v Příroda komunikace.

Chaveille, spoluautoři Guillaume Bellegarda a vedoucí BioRobotics Lab Auke Eijsbert se zajímali o novou hypotézu o tom, proč dochází k přechodům chůze: schopnost zůstat nebo se vyhnout pádům. K otestování této hypotézy použili DRL k vycvičení čtyřnohého robota k překonání různých terénů.

Na rovném terénu zjistili, že různé způsoby chůze vykazovaly různé úrovně síly tváří v tvář náhodným tlakům a že robot přešel z chůze do klusu, aby si zachoval přežití, stejně jako to dělají čtyřnohá zvířata při zrychlování.

Když robot narazil na po sobě jdoucí mezery na experimentálním povrchu, automaticky přešel z klusu do běhu, aby se vyhnul pádu. Kromě toho byla schopnost přežití jediným faktorem zlepšeným takovými přechody chůze.

„Ukázali jsme, že na rovném terénu a v obtížném diskrétním terénu schopnost přežití vyvolává posuny v chůzi, ale energetická účinnost se nutně nezlepší,“ vysvětluje Shafii.

„Zdá se, že energetická účinnost, o níž se dříve myslelo, že je hnací silou takových transformací, může být spíše výsledkem, když se zvíře pohybuje v obtížném terénu, jeho první priorita pravděpodobně neklesne, následovaná energetickou účinností.“

Bioinspirovaná vzdělávací architektura

Při modelování řízení pohybu u svého robota vzali vědci v úvahu tři vzájemně se ovlivňující prvky, které řídí pohyb zvířete: mozek, míchu a senzorickou zpětnou vazbu z těla.

Použili DRL k trénování neuronové sítě k napodobení přenosu mozkových signálů z míchy do těla, když robot procházel experimentálním terénem. Dále tým přiřadil různé váhy třem potenciálním cílům učení: energetická účinnost, redukce síly a schopnost přežití.

Série počítačových simulací odhalila, že z těchto tří cílů byla přežití jediným cílem, který přiměl robota k automatické změně chůze – bez pokynů od vědců.

Tým zdůrazňuje, že tato pozorování představují první rámec lokomoce založený na učení, ve kterém se přechody chůze objevují automaticky během procesu učení, stejně jako nejdynamičtější překračování tak velkých po sobě jdoucích mezer pro čtyřnožce.

„Naše architektura učení inspirovaná životem demonstrovala nejmodernější mobilitu kvadrokoptér v náročném terénu,“ říká Shafi.

Cílem vědců je rozšířit svou práci o další experimenty, které umístí různé typy robotů do široké řady náročných prostředí.

Kromě dalšího objasnění pohybu zvířat doufají, že jejich práce nakonec umožní širší využití robotiky v biologickém výzkumu, čímž sníží závislost na zvířecích modelech a etické obavy s nimi spojené.

O novinkách ve výzkumu robotiky a umělé inteligence

autor: Celia Lauterbacherová
zdroj: EPFL
sdělení: Celia Lauterbacher – EPFL
obrázek: Obrazový kredit BioRob EPFL

Původní vyhledávání: Otevřený přístup.
„Schopnost přežití vede k přechodům chůze při učení agilní čtyřnohé lokomoce v obtížném terénu„Od Milad Shafie a kol. Příroda komunikace

shrnutí

Schopnost přežití vede k přechodům chůze při učení agilní čtyřnohé lokomoce v obtížném terénu

Čtyřnohá zvířata jsou schopna plynule přecházet mezi různými způsoby chůze. I když se zdá, že energetická účinnost je jedním z důvodů změny chůze, pravděpodobně hrají roli i další určující faktory, včetně charakteristik terénu.

V tomto článku navrhujeme, že schopnost přežití, tj. vyhýbání se pádům, představuje důležité kritérium pro přechody chůze.

Zkoumáme vznik transformací chůze prostřednictvím interakce mezi supraspinálním motorem (mozkem), centrálním generátorem vzorů v míše, tělem a externím snímáním pomocí nástrojů hlubokého posílení učení a robotiky.

V souladu s údaji o čtyřnožcích ukazujeme, že přenos klusu čtyřnohých robotů na rovném terénu zlepšuje jak vitalitu, tak energetickou účinnost.

Dále studujeme účinky diskrétního terénu (tj. překračování po sobě jdoucích mezer) na vynucování přechodů chůze a nacházíme vznik přechodů klusu, abychom se vyhnuli neživotaschopným situacím.

Přežití je jediným zlepšujícím faktorem po přechodech při chůzi na plochém i odděleném terénu, což naznačuje, že přežití by mohlo být primárním a univerzálním cílem přechodů při chůzi, zatímco ostatní kritéria jsou sekundárními cíli a/nebo důsledkem schopnosti zůstat.

Naše experimenty navíc demonstrují obratnost nejmodernějšího čtyřnohého robota v náročných scénářích.