Forskare har utvecklat en humanoid robotprototyp, HRP-5P, avsedda att självständigt utföra tungt arbete eller arbete i farliga miljöer.

Som en 182 cm, 101 kg humanoid robot, HRP-5P byggdes på HRP-seriens teknologier genom att införliva ny hårdvaruteknik. Inom serien, den har oöverträffade fysiska förmågor. Dess robotintelligens omfattar miljömätning och objektigenkänning, hela kroppens rörelseplanering och kontroll, uppgiftsbeskrivning och utförandehantering, och mycket pålitlig systemiseringsteknik. Att inhysa intelligensen i denna kropp har möjliggjort autonom gipsskivainstallation av roboten, vilket är ett typiskt exempel på tungt arbete på byggarbetsplatser. Användningen av HRP-5P, som en utvecklingsplattform, i samarbete mellan industri och akademi lovar att påskynda forskning och utveckling mot praktisk tillämpning av humanoida robotar på byggarbetsplatser och vid montering av stora strukturer som flygplan och fartyg.

Det sjunkande födelsetalet i Japan förväntas orsaka allvarlig brist på arbetskraft inom byggbranschen och många andra industrier. Det är absolut nödvändigt att lösa detta problem med hjälp av robotteknik. Dessa tekniker ger också ett övertygande alternativ till att ha byggnadsarbetare på byggarbetsplatser, flygplansanläggningar, eller varv utför tungt arbete som är potentiellt farligt. Dock, det har varit svårt att göra dessa storskaliga byggarbetsplatser lämpliga för robotar, vilket har avskräckt introduktion av robotar. Eftersom humanoida robotar fysiskt liknar människor, de kan arbeta utan att kräva miljöförändringar, möjligen befria arbetare från tungt arbete.

I utvecklingen av HRP-serien, AIST har samarbetat med flera privata företag, inklusive Kawada Industries Inc. (nu Kawada Robotics Corp.), och har utvecklat grundläggande teknologier för praktisk tillämpning. HRP-2 kunde gå på två ben, ligger ner, står upp, gå på smala stigar, och andra åtgärder. HRP-3 kunde gå på hala underlag och dra åt bultar på broar med fjärrkontroll. Katastrofrespons humanoid robotforskning som pågår vid AIST sedan 2011 ledde till en reviderad version av HRP-2 med förbättrade fysiska förmågor (som lemlängd, rörelseomfång, och gemensam produktion), som kunde gå i ojämn terräng, vrid ventiler, och utföra andra uppgifter semi-autonomt baserat på 3-D miljömätning. Dock, dess fysiska kapacitet var fortfarande otillräcklig för tungt arbete såsom installation av gipsskivor, och det saknade tillräcklig grad av frihet och tillräckligt rörligt utbud av leder för att efterlikna mänsklig rörelse i komplexa miljöer. Mot detta mål, AIST fortsatte utvecklingen av den humanoida roboten, HRP-5P, med fysiska förmågor som gör det möjligt att ersätta människor som utför tungt arbete.

Vidare, HRP-5P ärver teknologierna i HRP-serien och använder patenterad teknologi från Honda Motor Co., Ltd.

En del av utvecklingen av HRP-5P stöddes av FoU på uppdrag av New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), "FoU på mycket pålitliga humanoida robotsystem som kan arbeta i ostrukturerade miljöer" i "autonoma humanoida robotar (innovativt element robotteknologisområde)" av "FoU om nästa generations kärnrobotteknologier, "och bidrag för vetenskaplig forskning från Japan Society for the Promotion of Science, "Inriktning på rörelseplanering för hela kroppen baserad på förvärv av miljömodeller som gör det möjligt för mänskliga robotar att anpassa sig till okända miljöer" (forskningsprojektnummer JP17H07391).

Den humanoida robotprototypen HRP-5P utvecklades med en robust kropp och avancerad intelligens för att arbeta självständigt och tillhandahålla en alternativ källa till tungt arbete.

• Vid en höjd av 182 cm och vikt av 101 kg, HRP-5P har en kropp med totalt 37 frihetsgrader:två i nacken, tre i midjan, åtta i famnen, sex i benen, och två i dess händer. Förutom händerna, detta representerar den största rörelsefriheten i HRP-serien hittills. Jämfört med den reviderade versionen av HRP-2, genom att lägga till en frihetsgrad till midjan och en till armbasen har det möjliggjort operationer som mer liknar mänskliga rörelser. Följaktligen, använda båda armarna, HRP-5P kan hantera stora föremål som gipsskivor (1820 × 910 × 10 mm, cirka. 11 kg) eller plywoodskivor (1800 × 900 × 12 mm, cirka. 13 kg).
• Att efterlikna robotens mänskliga rörelse utan lika många frihetsgrader som människor, forskarna säkerställde ett bredare rörligt utbud av leder i höft- och midjeområdena, där flera leder är koncentrerade. Till exempel, höftleder som böjer och sträcker ut benen har ett rörelseomfång på 140° hos människor och 202° i HRP-5P (fig. 1), och midjeleder som vrider överkroppen har ett rörelseomfång på 80° hos människor och 300° i HRP-5P. Detta möjliggör arbete av roboten i en mängd olika ställningar, som när man sitter djupt hukande med vriden överkropp.
• Ledmoment och varvtal fördubblades i genomsnitt i förhållande till den reviderade HRP-2, genom att använda motorer med hög effekt, lägga till kylning till drivmekanismen, och anta ett gemensamt drivsystem med vissa leder med flera motorer. Som ett resultat, roboten kan utföra arbete med tunga belastningar, som att lyfta en gipsskiva från en stapel. (Varje arm av HRP-5P, utsträckt horisontellt, kan bära en vikt på 2,9 kg, jämfört med 1,3 kg för den reviderade versionen av HRP-2 och 0,9 kg för HRP-4.)
• Med hjälp av huvudmonterade sensorer, roboten får hela tiden 3D-mätningar av den omgivande miljön (med en frekvens på 0,3 Hz). Även om synfältet blockeras av föremål som används i arbetet, lagrade och uppdaterade mätresultat möjliggör exekvering av gångplanen medan du bär en panel eller korrigering av gång när fötterna glider. (Fig. 2).
• Lärande involverar ett konvolutionellt neuralt nätverk som använder en nybyggd bilddatabas med arbetsobjekt. Roboten kan upptäcka tio typer av 2D-objektområden med en hög precision på 90 % eller mer även mot bakgrunder med låg kontrast eller under svag belysning (Fig. 3).
• Det var möjligt att bygga ett mycket tillförlitligt robotsystem och upprätthålla kvaliteten på storskalig programvara (med ca 250,- 000 rader kod) genom att arrangera en virtuell testmiljö för robotintelligensen i Choreonoid-robotsimulatorn och övervaka mjukvarans regression under 24 timmar.

Integration of these technologies has enabled autonomous gypsum board installation in which HRP-5P handles and carries large, heavy objects at a simulated residential construction site independently.

Specifikt, this work involves the following series of operations.

1. Generate a 3-D map of the surrounding environment, detect objects, and approach the workbench.
2. Lean against the workbench, slide one of the stacked gypsum boards to separate it, and then lift it.
3. While recognizing the surrounding environment, carry the gypsum board to the wall.
4. Lower the gypsum board and stand it against the wall.
5. Using high-precision AR markers, recognize and pick up a tool.
6. Holding a furring strip to keep HRP-5P itself steady, screw the gypsum board into the wall.

R&D on robot intelligence will be promoted using this platform, targeting an alternative source of autonomous manual labor at residential or office building sites, and in assembly of large structures such as aircraft and ships. This will compensate for labor shortages, free people from heavy labor, and help them focus on more high-value-added work.