受冲撞仍直立,可像动物一样进化

2019-10-18 02:08 来源:未知

荷兰新款机器人可像人一样直立行走

美科学家模拟步行机器人 可像动物一样进化

美研制出双腿直立行走机器人 受冲撞仍直立

原标题:荷兰研究者发明外形类似果蝇的可飞行机器人

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北京时间2月11日消息,近年来科学家们制造出各种类型和功能的机器人,在实践中机器人也广泛应用于火星科学探测、工业生产以及家庭生活等领域。但是,现有的大多数步行机器人看起来更像是一种双腿僵硬的金属怪物,距离人们的理想还有很大差距。美国佛蒙特大学科学家约什:邦加尔德近日对现有的多款著名步行机器人进行了分析和研究,并开发出一种计算机模拟系统,系统显示机器人也可以像动物进化一样逐渐学会更好地步行。

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【环球网科技综合报道】据英国《每日邮报》9月13日报道,《科学》期刊最近发表了一篇研究,荷兰代尔夫特理工大学的研究者发明了一种外形像果蝇一样的飞行机器人,目的是用于制造无人机。

荷兰机器人可像人类一样直立行走

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直立行走机器人Petman

荷兰代尔夫特理工大学的研究者最近介绍了一款可以像昆虫一样在空中飞行的微型机器人,它的翅膀每秒震动17次,这样就可以以每小时25千米的速度飞行,可以盘旋,可以飞左飞右,甚至还能翻筋斗、做桶滚飞行。这项技术参照果蝇的翅膀的运动,科学家说它会革新人们对昆虫飞行的理解。

北京时间5月26日消息,据国外媒体报道,荷兰的科学家日前称,他们最近成功地研制出一款新型机器人。与众不同的是,这款机器人可以像人类一样直立行走,无论是行走的姿态还是每一步伐的距离,都几乎与人类完全一样。

通过模拟系统,邦加尔德创作出一种虚拟机器人,这种虚拟机器人可以随着时间的变化改变自己的形状。最初,这种机器人身体像蛇一样,没有腿,靠腹部运动。邦加尔德的模拟系统根据机器人脊骨的每一个片断采用了各种不同的运动算法。如果某种算法能够成功地让机器人更接近目标,就会被应用于下一个片断。如果不成功,则被舍弃。在每个片断中,成功的算法还将会随着片断的轻微修正进行验证。当各种不同算法分别成功地适应各脊骨片断的运动时,机器人就已进化出有效的运动模式。

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教会机器人起立行走是一件非常复杂的事情。行走机器人出现于20世纪70年代,其应用领域大致可以分为两类。第一类源自工业机器人界,在这里所有活动都按固定的程序进行,其主要局限性在于成本太高、能耗过大且灵活度不够高。在依据人类行走设计行走机器人领域,荷兰代夫尔特理工大学一直是处于先锋地位,其应用策略为更灵活和节能的人类行走。代夫尔特理工大学的博士生达安•霍伯伦首次论证了,“向前倒”是一种调节平衡的行为,机器人可以同时实现高能效和高稳定性。他的突破性成就在于,首次发明了一个有效测量人类行走稳定性的恰当方法,因为传统的观点认为“向前倒”是一种不稳定的运动。接下来,他构建了一个新机器人“弗莱姆”,并用它来展示改进的性能。

腹部运动功能进化成功后,邦加尔德开始为机器人增加腿部。随着腿部的缓慢“生长”,模拟系统中的虚拟机器人的腿部运动开始从滑行到步行进化。邦加尔德介绍说,“缓慢生长的腿部使得算法以机器人的语言去处理一个问题,即首先能够摆动,然后再实现平衡。这种步行控制器与我们以前看到的有所不同。”这样它就逐渐学会了如何更快地行走,并最终掌握了更加自然的步法

Petman可以像真人一样直立行走

机器人主要的设计者Matej Karasek 说:“机器人可以熟练地操作攻击动作,比如360度翻滚。”

“弗莱姆”由7个电动机和1个平衡机件组成,在许多算法的操控下保持了高水平的稳定平衡。例如,“弗莱姆”可以应用平衡机件提供的信息,将两脚距离分开略远以防止可能的摔倒。霍伯伦表示,“弗莱姆”是世界上最先进的行走机器人,至少是应用人类行走作为起动原理的机器人范畴中的佼佼者。研究人员们运用行走过程建模制造了行走更自然的两条腿的机器人。对行走过程的深入了解将有助于人们通过改良的诊断、训练和康复器械等来解决许多行走困难。荷兰代尔夫特大学正与阿姆斯特丹自由大学的运动科学家们一同,致力于这个领域的研究。霍伯伦拿踝关节举了个例子:踝关节是一种弹簧类型,代表了最高的弹性水平,因此霍伯伦对“弗莱姆”的踝关节所做的研究为运动科学家们提供了对行走过程的进一步了解。

当然,在现实世界中很难让机器人改变它们的身体或让其腿部生长,但邦加尔德利用乐高机器人研制出一个概念验证版机器人。这款机器人拥有一个简单的脊骨和四条腿。最初,一个额外的支柱帮助四条腿像蜥蜴一样向外伸展,然而逐渐将它们收拢,最终机器人可以用腿站立起来。邦加尔德表示,这一原型显示,真实的机器人也可以利用相似的过程进化出有效的步法。

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机器人的四肢翅膀不仅提供起飞所需的动力,还可以支持机器人控制飞行。机器人的大脑采用人工智能技术,设置了程序模仿果蝇逃跑时灵敏的动作,就像人们试图拍果蝇时果蝇能敏捷地躲开。虽然机器人的个头比果蝇大了55倍,但是机器人四肢的飞行机械让它可以像果蝇一样盘旋,飞向任何方向。机器人的零部件都是现成的,十分便宜,科学家说它可以用于很多实际情况,科学家相信参照昆虫制作的无人机很有应用潜力,因为它们很轻,在人类周围不会造成危险,可以比传统的无人机飞得更快。不过,现在这些机器人还不够灵敏,制作过程也过于复杂,还不能用作无人机。

在此前进行的实验中,这款机器人总是会在行走过程时不断跌倒,它在直立行走时会稍稍前倾,步伐会更短一些。这种机器人的关键部分在于其“大脑”,它的红外眼和控制电路相连,控制电路会在需要的时候引导它改变步法。此前的研究显示,人体内的动力控制系统包含了多个层级,肌肉和脊髓之间的交互作用主要取决于其本身,直至需要大脑来进行更高级别的控制。这一关系可以解释为什么有些瘫痪患者在踩脚踏车时腿可以动,却无法站立起来行走。这也是他们研究的核心之处。他还指出,通过研究机器人来进一步了解人体各个不同部分如何在行走时互相协作,对于改进人体卫生保健有着实质性的作用。它不仅能让人们设计出更好的假肢修补方法,还能帮助临床医学专家和病人齐心协力治疗病人的脊髓和其它重病,使之重新恢复运动能力。

  1. “大狗”运输机器人

在试验人员用力侧推之后,Petman能自我保持平衡

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荷兰科学家表示,他们研究的目标不仅仅是为了推进机器人技术,还旨在进一步了解步行力学,然后将其应用于人类的修复术和弥补术,甚至于改进运动性能。目前的实验室已经组建过许多不同设计的行走机器人,其中包括一个拥有灵活膝盖的机器人模型,它可以准确模仿人的行走,其每单位重量和距离消耗的能量媲美人类步行者。

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据美国媒体报道,曾研制出大狗机器人的波士顿动力公司近日又有新发明,他们研制出一种像真人一样四处活动的机器人。该公司正在制造Petman的原型,来检验防护服的性能。

这种机器人的程序很容易设置,它可以用来研究昆虫的飞行。它的动作酷似那些要观察的果蝇,可以展示果蝇如何控制转弯角度,逃跑得更快。科学家认为,对比起动物实验,机器人的大脑可以受人的控制。这样他们能辨认和描述新的空气动力运动机制,这种机制帮助飞行类动物敏锐地在拐弯时控制飞行方向。(实习编译:陈书婷 审稿:李宗泽)返回搜狐,查看更多

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无论是两条腿还是四条腿,步行机器人肯定比那些轮式机器人或非移动机器人更像动物。因此,步行机器人更容易融入人类的生活,它们也看起来更可爱,更酷。不过,科学家们研究机器人的腿部运动机制并不仅仅是因为它们看起来可爱,而是为了让机器人更好地为人类服务。

Petman是美军仿人机器人中的佼佼者,它的职能是为美军实验防护服装。与先前机器人不同的是它无需外部支持就能站立、行走,因为它有“双腿”。波士顿动力公司承诺说:“Petman能维持平衡,灵活行动。行走、匍匐、以及应对有毒物质的一系列动作对它来说都不成问题。它还能调控自身的体温、湿度和排汗量来模拟人类生理学中的自我保护功能,从而达到最佳的测试效果。”

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邦加尔德表示,“有腿机器肯定比那些轮式机器更擅长在崎岖的山路上行走。”这就是为什么美国军方能够慷慨斥资数百万美元资助波士顿动力公司研制“大狗”运输机器人的原因。“大狗”是一种动力平衡四足机器人,载重能力达300磅,可以通过泥泞、雪地、冰面、煤渣等路面。“大狗”的四条腿如此逼真,让一些人心里不安。即使在受到大力推挤的情况下,“大狗”仍然可以稳稳站立。邦加尔德的模拟机器人也显示出相似的稳定性。

此前波士顿动力公司曾经为美军研制出大狗机器人,这种样子怪怪的四足机器人仿佛一只“骡子”。据悉,这种大狗机器人能够在战场上发挥非常重要的作用:在交通不便的地区为士兵运送弹药、食物和其他物品。它不但能够行走和奔跑,而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人的动力来自一部带有液压系统的汽油发动机。

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  1. “漫游者”机器人

和大狗机器人一样,Petman即使受到冲撞也能保持直立。Petman的行进速度能达到每小时3.2英里,几乎和有血有肉的真人无异。Petman是许多机器人制造公司努力打造的双足仿真机器人之一,不过迄今还没有研制出非常接近真人的机器人。

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“漫游者”机器人

征服崎岖山路并不是研制有腿步行机器人的唯一目的。事实证明,步行机器人也适合长途旅行。垂直的腿部(相对的则是像蜥蜴一样向外伸出的水平腿部)可以像钟摆一样前后摆动,有助于向前迈进。像人类一样,机器人的这种运动几乎不需要耗费能量。邦加尔德表示,“这种方式能效很高,这也是两足性进化的原因之一。我们人类不用花太大的力气就可以走很长的路程。”

由美国康奈尔大学研制的步行机器人“漫游者”去年以14.3英里的距离打破了机器人的步行记录。“漫游者”尽管有四条腿,但从技术上讲它属于两足机器人,因为它的腿是成对工作的。康奈尔大学研究团队介绍说,“漫游者”的步法也许并不优雅,但它走2万步所花掉的电费仅为1美分。

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此前,步行机器人吸引人们的目光并非是因为实用,而是因为新奇,原因在于它们更难设计。事实上,研制一个成功的步行机器人需要一个完全不同的设计方案。自上世纪90年代起,研究人员关注的一个领域就是“被动动力学”或“无动力运动”。航空工程师泰德:麦克吉尔所研制的两足机器人非常逼真,它可以不用任何发动机,就可以走下斜坡。

荷兰德尔福特科技大学生物机器人实验室在这一领域更进一步,他们研制出的机器人要么是无动力的,要么是采用无动力运动的方式。就像人类行走时腿部利用自己的动力自然摆动一样,这些机器人行走得更加自然,而且将动力自然地融合到步法之中。这些步行方式中持续变化的动力学对于机器人设计者来说是一大挑战。他们必须要把生物学灵感更好地融入到机器人控制系统中。

德尔福特科技大学研制的“火焰”机器人的臀部、膝盖和踝骨中采用了弹性机制,这就意味着每个发动机和相关的关节之间都有一个弹簧,而不是发动机与关节直接相连。“火焰”机器人参研者之一马丁:维塞解释说,“这种方式吸收了足部踩踢地面时产生的冲击力。”

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