Μια ρομποτική ανακάλυψη που μιμείται την αποτελεσματικότητα του ανθρώπινου περπατήματος

περίληψη: Οι ερευνητές έχουν κάνει σημαντική πρόοδο στη ρομποτική αναπαράγοντας το περπάτημα μεταβλητής ταχύτητας που μοιάζει με άνθρωπο χρησιμοποιώντας ένα μυοσκελετικό μοντέλο. Αυτό το μοντέλο, καθοδηγούμενο από μια μέθοδο αντανακλαστικού ελέγχου παρόμοια με το ανθρώπινο νευρικό σύστημα, προάγει την κατανόησή μας για την ανθρώπινη κίνηση και θέτει νέα πρότυπα για τη ρομποτική τεχνολογία.

Η μελέτη χρησιμοποίησε έναν καινοτόμο αλγόριθμο για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης σε διαφορετικές ταχύτητες περπατήματος. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη ανοίγει το δρόμο για μελλοντικές καινοτομίες σε δίποδα ρομπότ, προσθετικά και ηλεκτροκίνητους εξωσκελετούς.

Βασικά στοιχεία:

1. Η ομάδα του Πανεπιστημίου του Τοχόκου έχει αντιγράψει με επιτυχία την ανθρώπινη μηχανική βάδισης σε ένα ρομποτικό μοντέλο, που αντικατοπτρίζει την πολυπλοκότητα του ανθρώπινου μυοσκελετικού και νευρικού συστήματος.
2. Αναπτύχθηκε ένας προηγμένος αλγόριθμος για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης, η οποία είναι απαραίτητη για την αναπαραγωγή του φυσικού περπατήματος μεταβλητής ταχύτητας των ανθρώπων.
3. Αυτή η έρευνα έχει τεράστιες δυνατότητες για προόδους σε δίποδα ρομπότ, προσθετικά και ηλεκτροκίνητους εξωσκελετούς, βελτιώνοντας τις καθημερινές λύσεις κινητικότητας και ρομποτικής.

πηγή: Πανεπιστήμιο Τοχόκου

Συνήθως δεν το σκεφτόμαστε ενώ το κάνουμε, αλλά το περπάτημα είναι μια πολύπλοκη εργασία. Τα οστά, οι αρθρώσεις, οι μύες, οι τένοντες, οι σύνδεσμοι και άλλοι συνδετικοί ιστοί (δηλαδή το μυοσκελετικό σύστημα), που ελέγχονται από το νευρικό μας σύστημα, πρέπει να κινούνται συντονισμένα και να ανταποκρίνονται σε απροσδόκητες αλλαγές ή διαταραχές με ποικίλες ταχύτητες και με εξαιρετικά αποτελεσματικό τρόπο. Η αναπαραγωγή αυτού σε ρομποτικές τεχνολογίες δεν είναι εύκολη υπόθεση.

Τώρα, μια ερευνητική ομάδα από το Graduate School of Engineering του Tohoku University έχει αναπαράγει το περπάτημα μεταβλητής ταχύτητας που μοιάζει με άνθρωπο χρησιμοποιώντας ένα μυοσκελετικό μοντέλο – ένα μοντέλο που καθοδηγείται από μια μέθοδο ελέγχου αντανακλαστικών που αντικατοπτρίζει το ανθρώπινο νευρικό σύστημα. Αυτή η ανακάλυψη στην εμβιομηχανική και τη ρομποτική θέτει ένα νέο πρότυπο για την κατανόηση της ανθρώπινης κίνησης και ανοίγει το δρόμο για καινοτόμες τεχνολογίες ρομποτικής.

Λεπτομέρειες της μελέτης τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό PLoS Υπολογιστική Βιολογία Στις 19 Ιανουαρίου 2024.

«Η μελέτη μας αντιμετώπισε την περίπλοκη πρόκληση της αναπαραγωγής αποτελεσματικού περπατήματος με διαφορετικές ταχύτητες – ακρογωνιαίο λίθο του ανθρώπινου μηχανισμού βάδισης», λέει ο αναπληρωτής καθηγητής Dai Aoaki, συν-συγγραφέας της μελέτης με τον Shunsuke Koseki και τον καθηγητή Mitsuhiro Hayashibe.

«Αυτές οι ιδέες είναι ζωτικής σημασίας για την υπέρβαση των ορίων στην κατανόηση της ανθρώπινης κίνησης, της προσαρμογής και της αποτελεσματικότητας».

Το επίτευγμα έγινε χάρη σε έναν καινοτόμο αλγόριθμο. Ο αλγόριθμος εξελίχθηκε πέρα ​​από την παραδοσιακή μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων και βοήθησε να επινοηθεί ένα βελτιωμένο μοντέλο νευρωνικών κυκλωμάτων για την επίτευξη ενεργειακής απόδοσης σε διάφορες ταχύτητες περπατήματος.

Η εκτενής ανάλυση αυτών των νευρικών κυκλωμάτων, ειδικά εκείνων που ελέγχουν τους μύες στη φάση της αιώρησης των ποδιών, έχει αποκαλύψει σημαντικά στοιχεία ενεργειακά αποδοτικών στρατηγικών βαδίσματος. Αυτές οι ανακαλύψεις προωθούν την κατανόησή μας για τους πολύπλοκους μηχανισμούς νευρωνικών δικτύων που υποστηρίζουν το ανθρώπινο βάδισμα και την αποτελεσματικότητά του.

Ο Awaki τονίζει ότι η γνώση που αποκαλύπτεται στη μελέτη θα βοηθήσει να τεθούν τα θεμέλια για μελλοντική τεχνολογική πρόοδο.

«Η επιτυχής προσομοίωση του περπατήματος με μεταβλητές ταχύτητες σε ένα μυοσκελετικό μοντέλο, σε συνδυασμό με εξελιγμένα νευρικά κυκλώματα, αντιπροσωπεύει μια κομβική πρόοδο στην ενσωμάτωση της νευροεπιστήμης, της εμβιομηχανικής και της ρομποτικής. Θα φέρει επανάσταση στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη διποδικών ρομπότ υψηλής απόδοσης, προηγμένων προσθετικά, και προηγμένους εξωσκελετούς που τροφοδοτούνται.

Τέτοιες εξελίξεις μπορούν να βελτιώσουν τις λύσεις κινητικότητας για άτομα με αναπηρίες και να προωθήσουν τις ρομποτικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή.

Κοιτάζοντας στο μέλλον, ο Awaki και η ομάδα του ελπίζουν να βελτιώσουν περαιτέρω το πλαίσιο ελέγχου των αντανακλαστικών για να αναδημιουργήσουν ένα ευρύτερο φάσμα ταχυτήτων και κινήσεων του ανθρώπου. Σκοπεύουν επίσης να εφαρμόσουν πληροφορίες και αλγόριθμους από τη μελέτη για να δημιουργήσουν πιο προσαρμοστικά και ενεργειακά αποδοτικά προσθετικά, ηλεκτροκίνητα κοστούμια και δίποδα ρομπότ. Αυτό περιλαμβάνει την ενσωμάτωση συγκεκριμένων νευρωνικών κυκλωμάτων σε αυτές τις εφαρμογές για τη βελτίωση της λειτουργικότητας και της φυσικότητας της κίνησης.

Σχετικά με αυτά τα νέα έρευνας ρομποτικής

συγγραφέας: Δημόσιες σχέσεις
πηγή: Πανεπιστήμιο Τοχόκου
επικοινωνία: Δημόσιες Σχέσεις – Πανεπιστήμιο Tohoku
εικόνα: Η εικόνα πιστώθηκε στο Neuroscience News

Αρχική αναζήτηση: Ανοιχτή πρόσβαση.
“Προσδιορισμός βασικών παραγόντων για τον ενεργειακά αποδοτικό έλεγχο της βάδισης σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων σε μυοσκελετικά συστήματα που βασίζονται σε αντανακλαστικά«Από τους Dai Aoaki et al. PLOS Υπολογιστική Βιολογία

μια περίληψη

Προσδιορισμός βασικών παραγόντων για τον ενεργειακά αποδοτικό έλεγχο της βάδισης σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων σε μυοσκελετικά συστήματα που βασίζονται σε αντανακλαστικά

Οι άνθρωποι μπορούν να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων περπατήματος βελτιώνοντας παράλληλα την ενεργειακή τους απόδοση. Η κατανόηση των πολύπλοκων μηχανισμών που διέπουν το ανθρώπινο περπάτημα θα συμβάλει σε εφαρμογές μηχανικής όπως τα ενεργειακά αποδοτικά δίποδα ρομπότ και οι βοηθητικές συσκευές για το περπάτημα. Οι μηχανισμοί ελέγχου που βασίζονται σε αντανακλαστικά, οι οποίοι δημιουργούν κινητικά μοτίβα ως απόκριση στην αισθητηριακή ανάδραση, έχουν δείξει πολλά υποσχόμενα για τη δημιουργία ανθρώπινης βάδισης σε μυοσκελετικά μοντέλα.

Ωστόσο, η ακριβής ρύθμιση της ταχύτητας παραμένει μια σημαντική πρόκληση. Αυτός ο περιορισμός καθιστά δύσκολο τον εντοπισμό αντανακλαστικών κυκλωμάτων που είναι απαραίτητα για ενεργειακά αποδοτικό περπάτημα. Για να εξερευνήσουμε τον μηχανισμό ελέγχου αντανακλαστικών και να κατανοήσουμε καλύτερα τον ενεργειακά αποδοτικό μηχανισμό συντήρησης, επεκτείναμε το σύστημα ελέγχου που βασίζεται σε αντανακλαστικά για να επιτρέψουμε ελεγχόμενες ταχύτητες βαδίσματος με βάση τις ταχύτητες στόχου.

Έχουμε αναπτύξει μια νέα μέθοδο ελαχίστων τετραγώνων με στάθμιση απόδοσης (PWLS) για να σχεδιάσουμε έναν διαμορφωτή παραμέτρων που βελτιώνει την αποτελεσματικότητα βάδισης διατηρώντας παράλληλα την ταχύτητα στόχο για ένα σύστημα δίποδων που βασίζεται σε αντανακλαστικά.

Δημιουργήσαμε με επιτυχία βηματισμούς βάδισης από 0,7 έως 1,6 m/s σε ένα 2D μυοσκελετικό μοντέλο με βάση την ταχύτητα στόχο για εισαγωγή στο περιβάλλον προσομοίωσης. Η λεπτομερής ανάλυσή μας του διαμορφωτή παραμέτρων σε ένα σύστημα που βασίζεται στην αντιστροφή αποκάλυψε δύο κύρια κυκλώματα αναστροφής που έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ενεργειακή απόδοση.

Επιπλέον, επιβεβαιώθηκε ότι αυτό το αποτέλεσμα δεν επηρεάζεται από τη ρύθμιση των παραμέτρων, δηλαδή το μήκος του ποδιού, την αισθητηριακή χρονική καθυστέρηση και τους συντελεστές βάρους στη συνάρτηση αντικειμενικού κόστους.

Αυτά τα ευρήματα παρέχουν ένα ισχυρό εργαλείο για την εξερεύνηση των νευρικών βάσεων του ελέγχου της κίνησης, ενώ τονίζουν τους πολύπλοκους μηχανισμούς που κρύβουν το ανθρώπινο περπάτημα και έχουν μεγάλες δυνατότητες για πρακτικές εφαρμογές μηχανικής.