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普渡大學(xué)制造仿生蜂鳥機器人 可以自動執(zhí)行機動動作

電子工程師 ? 來源:yxw ? 作者:李建兵 ? 2019-05-17 16:06 ? 次閱讀

普渡大學(xué)研究團隊根據(jù)蜂鳥的身體構(gòu)造和行為模式,制造了一款仿生蜂鳥機器人。無論從形態(tài)、動作,都非常逼真。使用機器學(xué)習(xí)算法進行訓(xùn)練,仿生機器人“知道”如何像蜂鳥一樣自行移動,例如辨別何時執(zhí)行逃生機動。

蜂鳥是世界上體積最小的鳥。其中體積最小的吸蜜蜂鳥僅重1.8克,只比一只成年蜜蜂重一點兒;而蜂鳥中體型最大的巨蜂鳥,體重也僅有20克,比兩節(jié)7號電池還輕。蜂鳥也是唯一可以倒飛的鳥,可以完成非常高難度的空中機動動作。

由普渡大學(xué)機械工程副教授Xinyan Deng帶領(lǐng)的研究團隊根據(jù)蜂鳥的身體構(gòu)造和行為模式,制造了一款仿生蜂鳥機器人。無論從形態(tài)、動作,都非常逼真。

使用機器學(xué)習(xí)算法,可以自動執(zhí)行機動動作

其實蜂鳥機器人并非普渡大學(xué)首創(chuàng),科學(xué)家對蜂鳥的研究由來已久。2011年,由美國國防部DARPA委托AeroVironment公司制造了一款蜂鳥機器人,但比較重,速度也不快,需要有人進行遠程操控。操作方式類似直升機,可以實現(xiàn)有限的機動性。

但是Deng研究團隊開發(fā)的這款仿生蜂鳥機器人,重量僅為12g,和一只成年蜂鳥體重相當(dāng),卻可以舉起27克的物體。使用兩個電機用來獨立控制每個機翼,也是借鑒了飛行動物在自然界中實現(xiàn)高度敏捷性機動的原理。

最關(guān)鍵的是,這款蜂鳥機器人使用機器學(xué)習(xí)進行訓(xùn)練,不僅可以學(xué)會蜂鳥的動作,還可以學(xué)到蜂鳥做出該動作的意圖。

這意味著從模擬中學(xué)習(xí)之后,仿生機器人“知道”如何像蜂鳥一樣自行移動,例如辨別何時執(zhí)行逃生機動。

人工智能與靈活的撲翼相結(jié)合,也讓機器人能夠自學(xué)新技巧。例如,雖然機器人沒有視覺傳感器無法看見,但可以通過觸摸表面來感知物體。每次觸摸都會改變電流,研究人員意識到,可以通過跟蹤電流變化來獲知障礙物邊界。

Deng教授說,這款機器人可以在看不到周圍環(huán)境的情況下繪制地圖。也就是說,這款機器人可以節(jié)省一個視覺傳感器,那么在完全黑暗的場景下尋找受害者就非常有用了。這意味著不僅僅可以節(jié)省成本,還可以降低設(shè)計難度和工藝流程的復(fù)雜度。

通過對昆蟲和蜂鳥物理學(xué)的進一步研究,普渡大學(xué)的研究人員認為他們能夠制造出比蜂鳥更小的機器人,像昆蟲一樣小,卻不會影響它們飛行的方式。而且Deng聲稱尺寸越小、機翼拍打頻率越高,飛行效率越高。

在制作工藝方面,采用了3D打印的機身,由碳纖維和激光切割膜制成的機翼。

該機器人可以像真正的蜂鳥一樣靜靜地飛行,使它們更適合秘密行動。他們通過湍流保持穩(wěn)定,研究人員通過測試油箱中動態(tài)縮放的機翼證明了這一點。

Xinyan Deng教授在天津大學(xué)獲得本科學(xué)位,并在加州伯克利獲得博士學(xué)位,目前在普渡大學(xué)任職機械工程副教授。由她帶領(lǐng)的研究團隊和在蒙大拿州花費了好幾個夏天的時間研究蜂鳥。

左2為Xinyan Deng教授

未來將配上電池和傳感器

他們記錄了蜂鳥的關(guān)鍵動作,例如快速的180度旋轉(zhuǎn)、并將它們轉(zhuǎn)換為機器人在連接到模擬時可以學(xué)習(xí)的算法。

Deng說,蜂鳥有多組肌肉可以做動力和轉(zhuǎn)向。機器人應(yīng)該盡可能的減輕體重,從而可以在最小的重量下獲得最大的性能。

研究人員表示,雖然目前機器人在飛行時需要電線來提供動力,但這種情況不會持續(xù)太長時間。

機器人可以像真正的蜂鳥一樣靜靜地飛行,使它們更適合秘密行動。他們通過湍流保持穩(wěn)定,研究人員通過測試油箱中動態(tài)縮放的機翼證明了這一點。

單純從目前該機器人的功能來看,似乎和無人機非常類似。然而蜂鳥機器人可以實現(xiàn)很多無人機無法完成的任務(wù)。

無人機受到螺旋槳的限制,體積很難縮小到蜂鳥機器人相同大小,而蜂鳥不使用傳統(tǒng)的空氣動力學(xué),它們的翅膀具有彈性,可以將體積做的非常小。

機器人蜂鳥不僅可以幫助進行搜索和救援任務(wù),還可以讓生物學(xué)家通過真實機器人的感官更可靠地在自然環(huán)境中研究蜂鳥。

設(shè)計具有更高升力的機器人為研究人員提供了更多可操作的空間。未來還可以添加電池和傳感器,例如相機和GPS。

這款機器人將會在“2019年IEEE國際機器人與自動化大會”上亮相,Xinyan Deng團隊將在大會上進行presentation。

研究人員已經(jīng)將模擬器在Github上開源,要求Python 3,模擬器引擎使用DART,接口使用pydart2。

仿生機器人現(xiàn)狀

仿生機器人是模仿自然界中生物的外部形狀、運動原理和行為方式的系統(tǒng),能從事具有生物特點工作的機器人,類型非常多。

仿生機器人的主要特點,一是多為冗余自由度或超冗余自由度的機器人,機構(gòu)復(fù)雜;二是其驅(qū)動方式有些不同于常規(guī)的關(guān)節(jié)型機器人,通常采用繩索、人造肌肉或形狀記憶合金等驅(qū)動。

生物特性為機器人的設(shè)計提供了許多有益的參考,使得機器人可以從生物體上學(xué)習(xí)如自適應(yīng)性、強健性、運動多樣性和靈活性等一系列良好的性能。因此仿生機器人同時具有生物和機器人的特點,已經(jīng)逐漸在反恐防爆、探索太空、搶險救災(zāi)等不適合由人來承擔(dān)任務(wù)的環(huán)境中凸顯出良好的應(yīng)用前景。

目前在仿生機器人領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊無疑是波士頓動力。即將商用的SpotMini機器狗,拉貨車的樣子像極了雪橇犬在雪地奔跑拉人,但更加有組織、有紀律,能夠完成任務(wù)的難度系數(shù)也要比雪橇犬們高得多。

而國內(nèi)也在大力發(fā)展仿生機器人。浙大的絕影、以及Laikago宇樹科技的Laikago四足機器人,號稱中國版波士頓動力機器狗,取得了不錯的成績。

仿人機器人如Nao、Pepper,四足機器人如索尼機器狗Aibo等已進入教育、娛樂、陪伴、導(dǎo)游導(dǎo)覽等領(lǐng)域,如通過人臉識別識別不同說話人、人機對話為人提供必要的信息服務(wù)和產(chǎn)品介紹、利用機器人進行科學(xué)研究、通過舞蹈表演、機器人比賽用于展示和教育。

中國科學(xué)院自動化研究所研發(fā)團隊開發(fā)的仿生機器魚系統(tǒng)在大學(xué)和科研機構(gòu)用于仿魚運動機理、控制與協(xié)作的研究,在國內(nèi)多個科技館用于科普教育。

同時,該研發(fā)團隊通過中國科學(xué)院自動化研究所(洛陽)機器人與智能裝備創(chuàng)新研究院進行了小型教育娛樂仿生機器魚的產(chǎn)業(yè)化,用戶可以通過手機遙控機器魚實現(xiàn)靈活的水上運動。

國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)都研制開發(fā)了雙足步行機器人。北京理工大學(xué)研制的仿人機器人,能夠?qū)崿F(xiàn)太極拳表演、刀術(shù)表演、騰空行走等復(fù)雜運動,同時也開發(fā)了高仿真人形機器人。在仿人機器人乒乓球?qū)Υ颉⑷藱C器人乒乓球?qū)Υ蜓芯恐校本├砉ご髮W(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所、浙江大學(xué)等單位開發(fā)了乒乓球的高速識別與軌跡預(yù)測、擊球策略與控制等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了多回合乒乓球?qū)Υ颉?/p>

麥肯錫全球資深董事合伙人卡雷爾·艾露特則認為,中國機器人企業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是產(chǎn)品大多集中在低端市場,對于生產(chǎn)比較復(fù)雜的機器人有時候顯得力不從心。此外,中國只持有不到1%的工業(yè)機器人專利,該領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)相對匱乏。

但我們有理由相信,隨著國家對AI技術(shù)的支持,不久的將來,上述問題會得到解決。

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原文標(biāo)題:最逼真微型蜂鳥機器人,靠AI算法學(xué)習(xí)飛行,自動躲避障礙物

文章出處:【微信號:aicapital,微信公眾號:全球人工智能】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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