MIT:s Cheetah 3-robot kan nu hoppa och galoppera över ojämn terräng, gå upp för en trappa full av skräp, och snabbt återställa balansen när den plötsligt rycks eller knuffas, allt i huvudsak blind.

Den mekaniska besten på 90 pund – ungefär lika stor som en fullvuxen labrador – är avsiktligt utformad för att göra allt detta utan att förlita sig på kameror eller några externa miljösensorer. Istället, den "känner" sig smidigt genom sin omgivning på ett sätt som ingenjörer beskriver som "blind förflyttning, " ungefär som att ta sig fram i ett becksvart rum.

"Det finns många oväntade beteenden som roboten borde kunna hantera utan att förlita sig för mycket på syn, säger robotens designer, Sangbae Kim, docent i maskinteknik vid MIT. "Syn kan vara bullrig, något felaktigt, och ibland inte tillgängligt, och om du litar för mycket på syn, din robot måste vara mycket exakt i sin position och kommer så småningom att vara långsam. Så vi vill att roboten ska förlita sig mer på taktil information. På det sättet, det kan hantera oväntade hinder medan det rör sig snabbt. "

Forskare kommer att presentera robotens synfria kapacitet i oktober vid den internationella konferensen om intelligenta robotar, i Madrid. Förutom blind rörelse, teamet kommer att demonstrera robotens förbättrade hårdvara, inklusive ett utökat rörelseomfång jämfört med föregångaren Cheetah 2, som låter roboten sträcka sig bakåt och framåt, och vrid från sida till sida, ungefär som en katt som klättrar upp för att kasta sig.

Inom de närmaste åren, Kim föreställer sig att roboten ska utföra uppgifter som annars skulle vara för farliga eller otillgängliga för människor att ta sig an.

"Cheetah 3 är designad för att utföra mångsidiga uppgifter som inspektion av kraftverk, som involverar olika terrängförhållanden inklusive trappor, trottoarkanter, och hinder på marken, " säger Kim. "Jag tror att det finns otaliga tillfällen där vi [skulle] vilja skicka robotar för att utföra enkla uppgifter istället för människor. Farlig, smutsig, och svårt arbete kan utföras mycket säkrare genom fjärrstyrda robotar."

Att göra ett åtagande

Cheetah 3 kan blint ta sig uppför trappor och genom ostrukturerad terräng, och kan snabbt återställa balansen inför oväntade krafter, tack vare två nya algoritmer utvecklade av Kims team:en kontaktdetekteringsalgoritm, och en modellprediktiv styralgoritm.

Algoritmen för kontaktdetektering hjälper roboten att bestämma den bästa tiden för ett givet ben att växla från att svänga i luften till att trampa på marken. Till exempel, om roboten trampar på en lätt kvist mot en hård, tung rock, hur den reagerar – och om den fortsätter att genomföras med ett steg, eller drar sig tillbaka och svänger med benet istället – kan skapa eller bryta balansen.

"När det gäller att byta från luften till marken, bytet måste vara mycket välgjort, " säger Kim. "Den här algoritmen handlar verkligen om 'När är en säker tidpunkt att begå mitt fotspår?'"

Algoritmen för kontaktdetektering hjälper roboten att bestämma den bästa tiden att växla ett ben mellan sving och steg, genom att ständigt beräkna tre sannolikheter för varje ben:sannolikheten för att ett ben kommer i kontakt med marken, sannolikheten för kraften som genereras när benet träffar marken, och sannolikheten att benet är i mittsving. Algoritmen beräknar dessa sannolikheter baserat på data från gyroskop, accelerometrar, och benpositioner, som registrerar benets vinkel och höjd i förhållande till marken.

Om, till exempel, roboten kliver oväntat på ett träblock, dess kropp kommer plötsligt att luta, förskjutning av robotens vinkel och höjd. Dessa data kommer omedelbart att användas för att beräkna de tre sannolikheterna för varje ben, som algoritmen kommer att kombinera för att uppskatta om varje ben ska åta sig att trycka ner på marken, eller lyft upp och sväng iväg för att hålla balansen – allt medan roboten är praktiskt taget blind.

"Om människor blundar och tar ett steg, vi har en mental modell för var marken kan vara, och kan förbereda sig för det. Men vi litar också på känslan av beröring av marken, " säger Kim. "Vi gör ungefär samma sak genom att kombinera flera [källor till] information för att bestämma övergångstiden."

Forskarna testade algoritmen i experiment med Cheetah 3 som travade på ett laboratorielöpband och klättrade i en trappa. Båda ytorna var fulla av slumpmässiga föremål som träklossar och tejprullar.

"Den vet inte höjden på varje steg, och vet inte att det finns hinder på trappan, men den bara plöjer igenom utan att tappa balansen, " säger Kim. "Utan den algoritmen, roboten var väldigt instabil och föll lätt. "

Framtida kraft

Robotens blinda förflyttning berodde också delvis på den modellförutsägande styralgoritmen, som förutsäger hur mycket kraft ett visst ben bör tillämpa när det har förbundit sig till ett steg.

"Algorithmen för kontaktdetektering kommer att berätta för dig, "det är dags att utöva krafter på marken, "" säger Kim. "Men när du väl är på marken, nu måste du beräkna vilken typ av krafter du ska använda så att du kan röra kroppen på rätt sätt."

Den modellförutsägande kontrollalgoritmen beräknar de multiplikativa positionerna för robotens kropp och ben en halv sekund in i framtiden, om en viss kraft appliceras av ett givet ben då det kommer i kontakt med marken.

"Säg att någon sparkar roboten i sidled, "Säger Kim." När foten redan är på marken, Algoritmen avgör, 'Hur ska jag specificera krafterna på foten? Eftersom jag har en oönskad hastighet till vänster, så jag vill applicera en kraft i motsatt riktning för att döda den hastigheten. Om jag applicerar 100 newton i denna motsatta riktning, vad händer en halv sekund senare?"

Algoritmen är utformad för att göra dessa beräkningar för varje etapp var 50:e millisekund, eller 20 gånger per sekund. I experiment, forskare introducerade oväntade krafter genom att sparka och skjuta roboten när den travade på ett löpband, och ryckte den i koppel när den klättrade uppför en hinderbelastad trappa. De fann att den modellförutsägande algoritmen gjorde det möjligt för roboten att snabbt producera motkrafter för att återfå balansen och fortsätta röra sig framåt, utan att vippa för långt i motsatt riktning.

"Det är tack vare den förutsägande kontrollen som kan applicera rätt krafter på marken, kombinerat med denna kontaktövergångsalgoritm som gör varje kontakt mycket snabb och säker, " säger Kim.

Teamet hade redan lagt till kameror till roboten för att ge den visuell feedback om sin omgivning. Detta kommer att hjälpa till att kartlägga den allmänna miljön, och kommer att ge roboten en visuell heads-up på större hinder som dörrar och väggar. Men för nu, teamet arbetar för att ytterligare förbättra robotens blinda rörelse

"Vi vill ha en mycket bra kontroller utan syn först, " säger Kim. "Och när vi lägger till vision, även om det kan ge dig fel information, benet ska kunna hantera (hinder). För tänk om den trampar på något som en kamera inte kan se? Vad kommer det att göra? Det är där blind förflyttning kan hjälpa. Vi vill inte lita för mycket på vår vision."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.