学习壮士断腕,海蛇尾机器人即时应对突发事件

机器人 2018年04月09日

由日本东北大学电气通信研究所的石黑章夫教授、加纳刚史副教授、佐藤英毅、小野达也,北海道大学电子科学研究所的青沼仁志副教授以及东北大学研究生院医学系研究科的讲师松坂义哉组成的研发小组,在全球首次成功开发出了能立即适应意外故障的移动机器人。

研究人员观察了被切断整条或部分腕部的海蛇尾,根据观察结果设计了以极简单的公式描述的自律分散控制算法,即“各个腕仅在行进方向受到来自环境的反作用力时蹬地”。把这种控制算法应用于海蛇尾型机器人后,无论腕部遭到怎样的破坏,机器人都能在数秒内适应并继续移动。

这项成果可为应对意外情况,适应能力高的机器人提供基础技术,有望为实现在灾害现场等恶劣的环境下也能使用的移动机器人开拓道路。另外,动物在身体的一部分受伤时,会适当改变身体的协调方式继续移动,利用此次的研究成果还有望查明这种原理。

<研究内容>

很多动物在身体的一部分受伤的情况下也能立即适应。因此,研究人员决定从动物的动作中获得灵感,此次主要着眼于海蛇尾这种动物。海蛇尾是由体盘和5条呈径向对称的腕部构成的棘皮动物。有趣的是,在遭到外敌袭击等失去腕时(也存在自己切断腕的情况),无论还剩下几条腕,海蛇尾都能立即协调剩下的腕继续移动(图1(a))。而令人吃惊的是,海蛇尾虽然拥有如此优异的能力,但并不具备可以明确称作“脑”的中枢神经,只有由体盘内的周围神经环和腕内的放射神经构成的简单的神经系统。因此可以认为,海蛇尾对故障的适应能力是通过以局部的感觉信息决定身体各处动作的自律分散控制实现的。

研究人员观察了被切断整条或部分腕的海蛇尾的行动,根据观察结果构筑了如下自律分散控制算法(图2)。首先让腕随机移动,检测来自环境的作用力(推力)。当某条腕受到与行进方向相同的作用力时,意味着要通过移动这条腕来前进,因此该腕会后移蹬地,然后抬起回到原来的方向。反之,如果作用力妨碍前进则什么也不做。各个腕都只做这样的动作。研究人员利用简单的公式描述了这种控制算法,并将其应用于开发的海蛇尾型机器人。然后调查了机器人的腕部遭到破坏时能否像真正的海蛇尾那样立即适应。

图1(b)是在蛇尾型机器人正利用5个腕前进时,用锤子破坏了其中一个腕之后的情况。通过实验证实,破坏一个腕后,机器人会立即(几秒内)协调剩余的腕继续前进。另外还确认,继续破坏其他的腕后,即使剩余的腕只有1~3个也能继续前进。研究人员对机器人腕部的协调模式和移动速度进行定量评估发现,其行动与真正的海蛇尾大体一致。

<参考图>

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图1

·(a)海蛇尾的完整身体(左)与自己切断一条腕后前进的样子(右)。

·(b)研究人员开发的海蛇尾型机器人PENTABOT II(左)与腕被破坏后的机器人的移动情况(右)。无论腕遭到怎样的破坏,机器人都能立即适应,并协调剩余的腕继续前进。

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图2

研究人员提出的控制算法的概要。首先让各个腕随机移动。如果某条腕受到与行进方向相同的作用力,则向后蹬地然后抬起,回到原来的方向。反之,如果反作用力妨碍前进则什么也不做。机器人上没有安装相当于大脑的主计算机,各个腕仅利用自身的传感器信息进行单纯的判断,就可以实时做出适当的动作。

客观日本编辑部

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