(a) Bild av HAMR med kroppsfixerade axlar visas, och spårningsmarkörer och komponenter märkta. (b) Schematisk beskrivning av en elektrisk modell med klumpar av ett enskilt ställdon och tillhörande piezoelektrisk kodarmätkrets [38]. (c) Ett blockschema över den föreslagna avkännings- och styrarkitekturen. Här är x r referensställdonets position och hastighet, ˆx a är uppskattad ställdonets position och hastighet, u f är ställdonets framkopplingsspänning, u a är styrspänningen, och ˆu a och y är sensormätningarna. Utformningen av estimatorn och styrenheten diskuteras i Secs. 3 och 4, respektive. Kredit:Doshi et al.
Ett team av forskare vid Harvard University och Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering har nyligen utvecklat ett beräkningseffektivt ramverk för uppskattning och kontroll av benbanor på en fyrfotsmikrorobot. Deras tillvägagångssätt, beskrivs i en tidning som förpublicerats på arXiv, uppnått noggrann positionsuppskattning och kontroll, och roboten rörde sig över ett brett spektrum av stegfrekvenser (10-50Hz).
Landlevande djur, djur som lever och rör sig övervägande eller helt på land, navigera i naturliga terränger med hjälp av en mängd komplexa benbanor. Deras val av benbanor beror ofta på en rad morfologiska faktorer, såsom deras hållning, höft- och benkinematik, ankel- och fotdesign och aktiveringsmöjligheter.
"Djur ändrar också sina benbanor för att möta prestationskrav som hastighet, stabilitet och ekonomi, samt att anpassa sig till yttre faktorer som terrängtyp och ytegenskaper, ", skrev forskarna i sin uppsats. "Inspirerade av sina biologiska motsvarigheter, stora (kroppslängd ~100 cm) två- och fyrfotingsrobotar har vanligtvis två eller flera aktiverade frihetsgrader (DOF) per ben för att möjliggöra komplexa benbanor."
Förr, på grund av begränsningar i aktiveringen, avkänning och beräkning, småbenta robotar kunde endast uppnå effektiv förflyttning genom noggrant inställda, mekaniskt förmedlade benbanor. Nyligen, dock, framsteg inom tillverkningen har möjliggjort utvecklingen av småbensrobotar som kan arbeta med flera stegfrekvenser och med flera DOF-benbanor.
För närvarande, biologiskt inspirerade tvåbenta och fyrbenta robotar använder en mängd olika kontrollsystem, som gör att de kan anpassa sig till olika miljöer och prestandakrav. Tidigare studier har föreslagit en mängd olika tillvägagångssätt för att uppnå stabil och dynamisk rörelse hos robotar med små ben, inklusive optimeringsalgoritmer, styrenheter som använder stokastiska kinematiska modeller och algoritmer för inlärning av djup förstärkning. Trots de lovande resultat som uppnåtts med många av dessa metoder, var och en av dem har sin egen uppsättning begränsningar.
(a) Experimentell uppställning med enkelben som används för att utvärdera estimatorns prestanda, med komponenter märkta. Marksanningen tillhandahålls av en kalibrerad fiberoptisk förskjutningssensor (Philtec-D21) vid 2,5 kHz. (b) Kommunikations- och estimeringsblockdiagram för estimatorkarakterisering i ställdonets ram med block implementerade på xPC-målet skuggade i orange. Observera att Kalman uppdaterade vinster (matris A, B, H, D, och K; skuggade i blått) är förberäknade offline. Kredit:Doshi et al.
Harvard Ambulatory MicroRobot (HAMR), som använder piezoelektriska böjaktuatorer med hög bandbredd, har visat sig uppnå snabb rörelse, ändå är dess högpresterande funktion fortfarande begränsad till ett smalt intervall av stegfrekvenser. I deras senaste studie, teamet av forskare vid Harvard University och Wyss Institute satte sig för att utveckla ett nytt tillvägagångssätt som skulle kunna uppnå effektiv förflyttning av HAMR-roboten vid flera stegfrekvenser.
"I det här arbetet, vi utnyttjar samtidig avkänning för piezoelektrisk aktivering för att utveckla ett beräkningseffektivt ramverk för uppskattning och kontroll av benbanor på en fyrfotsmikrorobot, " skrev forskarna i sin uppsats. "Vi visar exakt positionsuppskattning ( <16 % rot-medelkvadratfel) och kontroll ( <16 % rot-medelkvadrat spårningsfel) under förflyttning över ett brett spektrum av stegfrekvenser (10-50 Hz)."
HAMR är en 4,5 cm lång fyrfotsmikrorobot som väger 1,4 g. Var och en av dess ben har två DOFs, som drivs av piezoelektriska böjaktuatorer styrda med växelspänningssignaler. Tillvägagångssättet som utarbetats av forskarna uppskattar benpositioner och hastighet, använder sedan dessa uppskattningar för att generera en mängd olika benbanor för förbättrad rörelse.
Denna metod gjorde det möjligt för dem att utforska två parametriska benbanor, undersöker påverkan av benhalkning, styvhet, timing och energi på rörelseprestanda. Detta parametersvep resulterade i slutändan i en experimentell prestandakarta, så att de kan välja kontrollparametrar och bestämma benbanor som maximerar prestanda vid en viss gång- och stegfrekvens. Med hjälp av dessa parametrar, forskarna uppnådde enastående prestanda över ett brett spektrum av stegfrekvenser.
"I framtiden, vi siktar på att använda denna lågnivåkontroller i kombination med banoptimering för att designa genomförbara benbanor som optimerar en given kostnad (t.ex. hastighet, SPJÄLSÄNG, etc.) vid ett särskilt drifttillstånd, " skrev forskarna i sin uppsats. "Detta kan automatisera den utmanande uppgiften att designa lämpliga benbanor för ett komplext bensystem och resultera i bättre rörelseprestanda."
Resultaten som samlats in i den här nya studien tyder på att HAMR är en mycket effektiv plattform för att testa hypoteser relaterade till biologisk rörelse. I framtiden, styrenheten som forskarna tagit fram skulle också kunna kombineras med beräkningseffektiva rörelsekontroller för hela kroppen för att uppnå exakt spårning av benbanor under olika typer av rörelse, till exempel när roboten simmar eller klättrar.
© 2019 Science X Network
