Robot ovláda terén pomocou prechodov chôdze ako zvierat | Zenithudn

Neuroscience News logo for mobile.

Zhrnutie: Výskumníci využili učenie hlbokého posilnenia (DRL), aby umožnili robotovi adaptívne prepínať chôdzu, napodobňujúc pohyby zvierat, ako je klusanie a klusanie, aby mohli efektívne prechádzať zložitými terénmi. Ich štúdia skúma koncepciu životaschopnosti – alebo prevencie pádu – ako primárny motivátor pre takéto prechody chodníkov, čím spochybňuje predchádzajúce presvedčenia, že energetická účinnosť je kľúčovou hybnou silou.

Tento nový prístup nielenže zlepšuje schopnosť robota zvládať náročný terén, ale poskytuje aj hlbší prehľad o pohybe zvierat. Zistenia tímu naznačujú, že uprednostňovanie prevencie pádu by mohlo viesť k agilnejšej a efektívnejšej robotickej a biologickej lokomócii na nerovných povrchoch.

Kľúčové fakty:

  1. Prispôsobenie chôdze pre životaschopnosť: Robot EPFL používal DRL na naučenie sa prechodov chôdze predovšetkým kvôli životaschopnosti, pričom efektívne prispôsoboval svoje lokomočné stratégie, aby sa vyhli pádom pri navigácii v rozľahlom teréne.
  2. Prehodnotenie energetickej účinnosti: Na rozdiel od predchádzajúcich teórií štúdia zistila, že zlepšenie energetickej účinnosti je dôsledkom, nie hnacím motorom prechodov uličiek v náročných prostrediach.
  3. Biologicky inšpirovaná robotická agilita: Výskum preukázal bioinšpirovanú architektúru učenia, ktorá umožnila spontánne prechody chôdze riadené učením a preukázala pokročilú robotickú obratnosť prechádzaním postupných medzier na experimentálnych terénoch.

Zdroj: EPFL

Robot EPFL sa pomocou formy strojového učenia nazývaného učenie s hlbokým zosilnením (DRL) naučil najmä prechádzať z klusu do pronkovania – skokovej oblúkovej chôdze, ktorú používajú zvieratá, ako sú skokany a gazely – na navigáciu v náročnom teréne v intervaloch 14 – 30 cm.

Štúdia, ktorú vedie BioRobotics Laboratory v EPFL’s School of Engineering, poskytuje nové poznatky o tom, prečo a ako sa takéto prechody chôdze vyskytujú u zvierat.

“Predchádzajúce výskumy zaviedli energetickú efektívnosť a vyhýbanie sa muskuloskeletálnym zraneniam ako dve hlavné vysvetlenia pre prechody chôdze. Nedávno biológovia tvrdili, že stabilita na rovnom teréne môže byť dôležitejšia.”

Robot spontánne zmenil chôdzu z klusu do klusu, aby v intervaloch prechádzal náročným terénom. Poďakovanie: BioRob EPFL

„Pokusy na zvieratách a robotoch však ukázali, že tieto hypotézy nie sú vždy platné, najmä na nerovných povrchoch,“ hovorí doktorandka Milad Shafiee, prvá autorka článku publikovaného v r. Komunikácia prírody.

Shafiee a spoluautori Guillaume Bellegarda a vedúci BioRobotics Lab Auke Ijspeert sa preto zaujímali o novú hypotézu, prečo dochádza k prechodom chôdze: životaschopnosť alebo vyhýbanie sa pádu. Na testovanie tejto hypotézy použili DRL na trénovanie štvornohého robota na prechádzanie rôznymi terénmi.

Na rovnom teréne zistili, že rôzne spôsoby chôdze vykazovali rôznu úroveň odolnosti voči náhodným otrasom a že robot prešiel z chôdze do klusu, aby si udržal životaschopnosť, rovnako ako to robia štvornožky pri zrýchľovaní.

A keď bol robot konfrontovaný s postupnými otvormi v experimentálnom povrchu, spontánne prešiel z klusu do klusu, aby sa vyhol pádu. Okrem toho bola životaschopnosť jediným faktorom, ktorý zlepšili takéto prechody uličiek.

„Ukázali sme, že na rovnom teréne a náročnom diskrétnom teréne vedie obývateľnosť k vzniku nadjazdov, ale energetická účinnosť sa nemusí nevyhnutne zlepšiť,“ vysvetľuje Shafiee.

“Zdá sa, že energetická účinnosť, o ktorej sa predtým myslelo, že je hnacou silou takýchto prechodov, môže byť skôr dôsledkom. Keď sa zviera pohybuje v náročnom teréne, je pravdepodobné, že jeho prvou prioritou nie je pokles, po ktorom nasleduje energetická účinnosť.”

Biologicky inšpirovaná vzdelávacia architektúra

Na modelovanie riadenia pohybu vo svojom robotovi výskumníci zvážili tri vzájomne pôsobiace prvky, ktoré poháňajú pohyb zvierat: mozog, miecha a senzorická spätná väzba z tela.

Použili DRL na trénovanie neurónovej siete na napodobňovanie prenosu mozgových signálov miechou do tela, keď robot prechádzal experimentálnym terénom. Tím potom priradil rôzne váhy trom možným vzdelávacím cieľom: energetická účinnosť, zníženie spotreby energie a životaschopnosť.

Séria počítačových simulácií odhalila, že z týchto troch cieľov bola životaschopnosť jediná, ktorá spôsobila, že robot automaticky – bez pokynov od výskumníkov – zmenil svoju chôdzu.

Tím zdôrazňuje, že tieto pozorovania predstavujú prvý lokomočný rámec založený na učení, v ktorom sa prechody chôdze vyskytujú spontánne počas procesu učenia, ako aj najdynamickejšie prekračovanie takýchto veľkých po sebe nasledujúcich medzier pre štvornohého robota.

„Naša bioinšpirovaná architektúra učenia demonštrovala najmodernejšiu obratnosť štvornožcov v náročnom teréne,“ hovorí Shafiee.

Cieľom výskumníkov je rozšíriť svoju prácu o ďalšie experimenty, ktoré umiestňujú rôzne typy robotov do širšej škály náročných prostredí.

Okrem ďalšieho objasňovania pohybov zvierat dúfajú, že ich práca nakoniec umožní širšie využitie robotov na biologický výskum, čím sa zníži závislosť na zvieracích modeloch a s tým spojené etické obavy.

O týchto novinkách o robotike a výskume AI

autor: Celia Luterbacherová
Zdroj: EPFL
Kontakt: Celia Luterbacher – EPFL
Obrázok: Obrázok je pripísaný BioRob EPFL

Pôvodný výskum: Otvorený prístup.
Životaschopnosť vedie k vzniku prechodov chôdze pri učení agilnej štvornohej lokomócie v náročnom teréne“ od Milad Shafiee a kol. Komunikácia prírody


Abstraktné

Životaschopnosť vedie k vzniku prechodov chôdze pri učení agilnej štvornohej lokomócie v náročnom teréne

Štvornohé zvieratá sú schopné plynulých prechodov medzi rôznymi chodmi. Aj keď sa zdá, že energetická účinnosť je jedným z dôvodov zmeny spôsobu chôdze, svoju úlohu pravdepodobne zohrávajú aj iné určujúce faktory vrátane charakteristík terénu.

V tomto príspevku navrhujeme, aby životaschopnosť, t.j. vyhýbanie sa pádom predstavuje dôležité kritérium pre chodníky.

Skúmame vznik prechodov chôdze prostredníctvom interakcie medzi supraspinálnym pohonom (mozgom), centrálnym generátorom vzorov v mieche, telom a exteroceptívnym snímaním využívaním nástrojov hlbokého posilňovania a robotických nástrojov.

V súlade s údajmi o štvornohých zvieratách ukazujeme, že prechod chôdze-klus pre štvornohé roboty na rovnom teréne zlepšuje životaschopnosť aj energetickú účinnosť.

Ďalej skúmame účinky diskrétneho terénu (t. j. prekračovanie po sebe idúcich otvorov) na vynútenie prechodov chôdze a zisťujeme vznik prechodov klus-pronk, aby sme sa vyhli neživotaschopným stavom.

Životaschopnosť je jediným vylepšeným faktorom po prechodoch chodníkov v rovinatom aj diskrétnom teréne, čo naznačuje, že životaschopnosť by mohla byť primárnym a univerzálnym cieľom prechodov chodníkov, zatiaľ čo ostatné kritériá sú sekundárne ciele a/alebo dôsledok životaschopnosti.

Okrem toho naše experimenty demonštrujú najmodernejšiu obratnosť štvornožcov v náročných scenároch.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *