BigDog, четвероногий робот передвигающийся по пересеченной местности

1. АННОТАЦИЯ

Менее половины земной суши доступно для существующих колесных и гусеничных транспортных средств. Но люди и животные, использующие ноги, могут ходить практически в любом месте. Наша миссия в Boston Dynamics заключается в разработке новой породы вездеходных роботов, которые захватывают мобильность, автономность и скорость живых существ. Такие роботы будут путешествовать по открытой местности, которая слишком крутая, рельефная, каменистая, влажная, грязная и снежная для обычных автомобилей. Они будут путешествовать по городам и в наших домах, выполняя обязанности и заботясь, куда ступать, лестницы и домашний беспорядок ограничивают полезность колесных транспортных средств. Роботы, отвечающие этим целям, будут иметь датчики местности, сложные вычислительные и энергетические системы, усовершенствованные приводы и динамические элементы управления. Мы дадим отчет о статусе BigDog, который служит примером таких вездеходных роботов.

2. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

За последние 40 лет множество инженеров и ученых оценили преимущества движения, что позволило им создать разнообразный набор гениальных и вдохновляющих ходячих роботов. Например, см. Berns and (2006), Kar (2003) которые послужили для многих примерами.

Нынешние создатели начали работать в этой области 25 лет назад, сосредоточившись на роботах, которые двигались динамически (Raibert, 1986, 1990). Они разработали серию лабораторных роботов в 1980-х и 1990-х годах, которые двигались динамично и сбалансированно. Эти роботы включали в себя одно-, двух- и четырехступенчатые системы, которые прыгали, бегали рысью, с шагающими и скачущими походками, поднимались по простым лестницам, перепрыгивали через препятствия, устанавливали мировой рекорд скорости для роботов шагоходов 6 м / с (13 миль / ч), и выполнил простые маневры. См. Raibert (1986) для большего ознакомления посмотрите рисунок 1.

Мы обнаружили, что можем контролировать всех этих роботов с относительно простым подходом к управлению, который разбил поведение на три основных вида деятельности:

• поддержание тела в вертикальном положении, контролируя распределение масс тела сервомоторами,
• имитация крутящего момента тазобедренного сустава во время фазы стойки каждой ноги,
• поддержание роботов в равновесии по мере их перемещения путем размещения ног в ключевых местах на каждом шаге с использованием принципов симметрии.

Хотя детали управления варьировались от машины к машине, все они использовали эти три основных вида деятельности.

Роботы Leg Laboratory хорошо зарекомендовали себя при демонстрации возможностей динамических систем балансирования ног. Однако, было два основных ограничения, которые необходимо было бы решить для создания практичных транспортных средств с ногами. Одна из них   потребность в бортовом питании, чтобы робот мог работать в поле без шлангов и проводов. Другая   необходимость алгоритмов управления, обеспечивающих локомоцию и устойчивость на пересеченной местности.

Теперь мы перейдем к BigDog, автономному четвероногому роботу, который использует многие идеи и концепции роботов Leg Laboratory, но также решает практические проблемы бортового питания и управлении при движении по пересеченной местности, чтобы двигаться как практичное транспортное средство с ногами.

3. BIGDOG

BigDog   это робот шагоход, разрабатываемый в Boston Dynamics, при финансовой поддержке DARPA. Цель заключается в постройке беспилотного перемещающегося аппарата со способностью перемещаться по пересеченной местности, превосходящего существующие колесные и гусеничные транспортные средства. В идеале система должна путешествовать в любом месте, где человек или животное могли бы использовать свои ноги, работать на протяжении многих часов, и нести свое собственное топливо и полезную нагрузку. Он должен быть достаточно разумным чтобы преодолевать местность с минимальным человеческим руководством и вмешательством. Созданные нами роботы BigDog   это первые шаги по достижению этих целей.

BigDog имеет встроенные системы, которые обеспечивают питание, управление, зондирование, контроль и связь. Источник питания представляет собой двухтактный двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением, который обеспечивает около 15 л.с. Двигатель управляет гидравлическим насосом, который подает гидравлическое масло под высоким давлением через систему фильтров, коллекторов, аккумуляторов и других технических систем на приводы ног робота. Привода ног представляют собой гидравлические цилиндры с низким коэффициентом трения, регулируемые двухступенчатыми сервоприводами аэрокосмического качества. Каждый привод имеет датчики для положения и силы соединения. Каждая нога имеет 4 гидравлических привода, которые приводят в действие соединения, а также пятую пассивную степень свободы. См. Рисунок 3. Теплообменник, установленный на корпусе BigDog, охлаждает гидравлическое масло, а радиатор охлаждает двигатель для продолжительной работы.

Бортовой компьютер контролирует поведение BigDog, управляет датчиками и обрабатывает связь с удаленным человеком-оператором. Также этот компьютер записывает большие объемы инженерных данных для анализа производительности, анализа отказов и оперативной поддержки.

BigDog имеет около 50 датчиков. Инерционные датчики измеряют отношение и ускорение тела, а суставные датчики измеряют движение и силу исполнительных механизмов, работающих на стыках. Бортовой компьютер объединяет информацию с этих датчиков для оценки того, как BigDog перемещается в пространстве. Другие датчики контролируют гомеостаз BigDog: гидравлическое давление, расход и температуру, скорость и температуру двигателя и тому подобное.

Бортовой компьютер выполняет как низкоуровневые, так и высокоуровневые функции управления. Низкоуровневая система управления сервомеханизмом позиционирует и воздействует на суставы. Высокоуровневая система управления координирует поведение ног, чтобы регулировать скорость, положение и высоту тела во время локомоции. Система управления также регулирует силы взаимодействия с землей для поддержания поддержки, движения и тяги.

BigDog имеет множество локомоций. Он может вставать, приседать, перемещается ползком, в период которого поднимает только одну ногу за один раз, ходить походкой рыси, при которой поднимаются диагонально ноги парами, бег рысью, который включает в себя фазу полета. Скорость движения для ползания составляет около 0,2 м / с, для перемещения рыси составляет около 1,6 м / с (3,5 миль / ч), поскольку бег рысью составляет около 2 м / с (4,4 миль / ч). При испытании в лаборатории BigDog показал скорость 3,1 м / с (7 миль / ч).

BigDog весит около 109 кг (240 фунтов), составляет около 1 метра в высоту, 1,1 метра в длину и 0,3 м в ширину.

BigDog обычно управляется человеческом-оператором, который работает через операторский блок управления (OCU), который общается с роботом через IP-радиостанции. Оператор использует OCU для обеспечения высокоуровневого рулевого управления и ввода скорости, чтобы направлять робота и контролировать скорость движения. Оператор также может выдать команду роботу, для запуска или остановки двигателя, вставал, приседал, гулял, бегал рысью или трусцой. Визуальный дисплей предоставляет операционные и инженерные данные оператору. Оператор обеспечивает только высокоуровневый вход, оставляя бортовой системе управления BigDog работу с ногами, обеспечение стабилизации при движении на пересеченной местности и рефлекторные реакции на внешние возмущения.

BigDog был протестирован передвигаясь по грязи и снегу, а также на склонах с различными поверхностями, скалистые и рыхлые осыпи, так же провели испытания на опрокидывания. BigDog смог подпрыгнуть примерно на 1,1 метр. Шагоход может переносить различные нагрузки, на равнинной местности BigDog нес 340 фунтов (154 кг), хотя типовая грузоподъемность не превышает 50 кг. В настоящий момент ведётся работа над реконструкцией BigDog, чтобы он мог поднимется на склоны с большими грузами.

Самая длинная непрерывная операция BigDog – это 10-километровый поход (6,2 мили), который длился 2,5 часа. Первоначальной целью является достижение – 20 часов непрерывных операций в среднем до отказа.

Была интегрирована система стереозрения разработанная лабораторией реактивного движения. Она состоит из пары стереокамер, компьютера и программного обеспечения для просмотра. Стереосистему можно использовать для получения формы трехмерной местности прямо перед роботом, а также для поиска четкого пути вперед. Также была интегрирована система LIDAR, которая позволяет BigDog следовать за человеком, не требуя от оператора непрерывного контроля движения.

4. КОНТРОЛЬ

Чтобы двигаться со скорости ходьбы человека, BigDog идет с динамически сбалансированной походкой рыси. Он уравновешивается, используя оценку его поперечной скорости и ускорения, определяемую по положению ног во время стойки в сочетании с инерционными датчиками.

Система управления BigDog координирует кинематику и силы реакции на ногах, реагируя на основные постуральные команды. Контроллер распределяет нагрузку между ногами, чтобы оптимизировать их несущую способность. Вертикальная нагрузка по конечностям поддерживается как можно более равномерно, в то время как отдельные ноги позволяют реагировать на наземные реакции, направленные на бедра, тем самым снижая требуемые крутящие моменты и усилия привода.

Разработаны четвероногие алгоритмы ходьбы для наклонной и пересеченной местности и протестировали его в физическом моделировании перед тестированием на физическом роботе. См. Рисунок 6. Моделируемый робот ходит по склонам и спускается со скальных склонов до 60 градусов. Это позволяет сделать переходы при ходьбе на ровной поверхности к движению подъёма и спуска по склону, и он приспосабливает к неожиданные изменения высоты местности, вызванные неровностями, например, камнями.

На уровне отдельных ног базовое управление ходьбой использует приведенную ниже схему управления. Алгоритм координации походки, отвечающий за связь между ногами, инициирует переходы состояния ноги для создания стабильной походки.

Система управления приспосабливается к изменениям ландшафта через контроль местности и контроль осанки. Система управления использует информацию о суставном датчике, чтобы определить, когда ноги находятся в контакте с землей, и определить желаемую нагрузку на каждую ногу и привод. Алгоритм осанки контролирует положение тела, координируя кинематику ног с их силами реакции на землю для получения желаемого поведения тела. Алгоритм осанки реализует вычисленное соответствие ног на неровной поверхности. Этот подход позволяет контролировать поворот, шаг и высоту тела относительно земли, тем самым позволяя BigDog адаптироваться к местным вариациям ландшафта, без более высокого уровня восприятия рельефа местности.

BigDog адаптируется к местности двумя способами. Он регулирует высоту и отношение тела к местному ландшафту, и регулирует размещение опор, чтобы компенсировать ориентацию тела робота и плоскости земли относительно силы тяжести. Система управления робота наклоняет его вперед, поднимаясь по склонам, наклоняет назад при спуске по склону, и отклоняет, идя по контурной линии. Система управления приспосабливается к изменению склона рельефа, делая небольшие корректировки в позе тела. При наклонах более крутых, чем 45 градусов, также корректируя шаблон походки используя более мелкие шаги. Многие из этих имитированных результатов были воспроизведены на физическом роботе BigDog, за исключением очень крутых подъемов, когда тяга в физическом мире ограничивает производительность.

5. БУДУЩИЕ ПЛАНЫ

Несмотря на то, что мы довольны прогрессом, достигнутым BigDog, достижение гораздо большей производительности, и решение многих практических проблем еще предстоит. Наши ближайшие цели состоят в том, чтобы сосредоточиться на четырех областях:

Преодоление сложного рельефа: хотя BigDog преуспевает на пересеченной местности, должно быть возможность пересечения более сложного рельефа с большим грузом. Это потребует механическую конструкцию большей мощности и расширение диапазон движения конечностей. Для обеспечения движения по более суровой местности, также потребуется расширенное восприятие местности и планирование перемещения.

Самостоятельный подъем: BigDog обладает значительной способностью сохранять равновесие при движении по пересеченной и неровной местности и воздействии внешних сил. Но мы учитываем возможность того, что BigDog упадет и перевернется, и ему понадобится способность самостоятельно восстановить исходное положение. Мы планируем добавить эту возможность в следующую версию BigDog.

Тихая работа: BigDog - шумный робот, похожий на мотоцикл. Есть несколько шагов, которые мы планируем предпринять, чтобы успокоить BigDog: построить глушитель, переключиться на четырехтактный двигатель, скрыть двигатель и гидравлический насос и, возможно, ввести дополнительную гибридную мощность.

Больше автономии: BigDog в настоящее время полагается на оператора-человека, ведущего его через рельеф. Но будущие версии будут использовать компьютерное зрение, LIDAR и GPS для обеспечения большей автономии. См. Рис. 7. Мы уже провели ограниченные эксперименты, в которых BigDog использует LIDAR для наблюдения за лидером человека на открытой местности, и еще один где BigDog перемещается в последовательности заранее определенных местоположений GPS без вмешательства человека.

Мы работаем над дизайном робота BigDog следующего поколения, который будет решать эти задачи.

6. ВЫРАЖЕНИЕ ПРИЗНАТЕЛЬНОСТИ

Мы благодарим членов фантастической команды BigDog, которая сделала всю тяжелую работу, чтобы сделать BigDog: Frank Agresti, Blake Brasher, Martin Buehler, Don Campbell, Gui Cavalcanti, Benjamin Frank, John Giarratana, Mike Grygorcewicz, Malik Hansen, Alex Khripin, Chris Lee, David Leger, Mathew Livianu, Matt Malchano, Patrick Mayeux, Neil Neville, Chris Richburg, Al Rizzi, Philip Rose, Aaron Saunders, Dane Saunders, Andrew String, Shervin Talebi. Мы также благодарим наших партнеров в Jet Propulsion Laboratory, Harvard University, Great Lakes Sounds and Vibration за их вклад. Эта работа спонсировалась Defense Advanced Research Projects Agency, с дополнительным финансированием, предоставляемым Корпусом морской пехоты США и армией США.

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Berns, K. (2006) Walking Machine Catalogue, : http://www.walking-machines.org/

Kar, D. D., (2003) Design of Statically Stable Walking Robot: A Review, J. Robotic Systems, 20(11):671 – 686.

Raibert, M., (1986) Legged robots that balance, MIT Press, Cambridge MA.

Raibert, M. 1986. Symmetry in running. Science, 231:1292 – 1294.

Raibert, M., 1990. Trotting, pacing, and bounding by a quadruped robot, J. Biomechanics, 23, Suppl.1, 79 – 98.