인간의 보행 효율성을 모방한 로봇의 혁신

요약: 연구자들은 근골격 모델을 사용하여 인간과 같은 가변 속도 걷기를 복제함으로써 로봇공학에 큰 발전을 이루었습니다. 인간의 신경계와 유사한 반사 제어 방법을 사용하는 이 모델은 인간의 움직임에 대한 이해를 높이고 로봇 기술의 새로운 표준을 제시합니다.

이 연구에서는 다양한 보행 속도에 걸쳐 에너지 효율성을 향상시키기 위해 혁신적인 알고리즘을 사용했습니다. 이 획기적인 발전은 이족보행 로봇, 보철물, 전동 외골격 분야의 미래 혁신을 위한 길을 열어줍니다.

중요한 사실:

1. 도호쿠 대학 팀은 인간의 근골격계와 신경계의 복잡성을 반영하여 인간의 보행 역학을 로봇 모델에 성공적으로 복제했습니다.
2. 인간의 자연스러운 가변 속도 보행을 재현하는 데 필수적인 에너지 효율성을 향상시키기 위해 고급 알고리즘이 개발되었습니다.
3. 이 연구는 이족보행 로봇, 보철물, 전동 외골격 분야의 발전을 통해 일상적인 이동성과 로봇 솔루션을 향상시킬 수 있는 엄청난 잠재력을 갖고 있습니다.

원천: 도호쿠대학

우리는 보통 걷는 동안 그것에 대해 생각하지 않지만 걷기는 복잡한 작업입니다. 우리의 신경계에 의해 제어되는 뼈, 관절, 근육, 힘줄, 인대 및 기타 결합 조직(즉, 근골격계)은 조화롭게 움직여야 하며 다양한 속도와 매우 효율적인 방식으로 예상치 못한 변화나 장애에 반응해야 합니다. 이것을 로봇 기술로 복제하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.

이제 도호쿠 대학 공학 대학원의 연구 그룹은 인간의 신경계를 반영하는 반사 제어 방법에 따라 유도되는 근골격 모델을 사용하여 인간과 같은 가변 속도 걷기를 복제했습니다. 생체역학과 로봇공학 분야의 이러한 획기적인 발전은 인간의 움직임을 이해하는 새로운 표준을 제시하고 혁신적인 로봇공학 기술의 길을 열었습니다.

그들의 연구 내용은 저널에 게재되었습니다. PLoS 전산생물학 2024년 1월 19일.

“우리의 연구는 인간 걷기 메커니즘의 초석인 다양한 속도에서 효과적인 걷기를 복제하는 복잡한 과제를 다루었습니다.”라고 Shunsuke Koseki 및 Mitsuhiro Hayashibe 교수와 함께 연구의 공동 저자인 Dai Aoaki 부교수는 말합니다.

“이러한 아이디어는 인간의 움직임, 적응 및 효율성을 이해하는 데 있어 경계를 넓히는 데 중추적인 역할을 합니다.”

이러한 성과는 혁신적인 알고리즘 덕분이었습니다. 이 알고리즘은 전통적인 최소 제곱법을 넘어 발전했으며 다양한 보행 속도에서 에너지 효율성을 달성하기 위한 향상된 신경 회로 모델을 고안하는 데 도움이 되었습니다.

이러한 신경 회로, 특히 다리 유각 단계에서 근육을 제어하는 ​​신경 회로에 대한 광범위한 분석을 통해 에너지 효율적인 걷기 전략의 중요한 요소가 밝혀졌습니다. 이러한 발견은 인간의 보행과 효율성을 지원하는 복잡한 신경망 메커니즘에 대한 이해를 향상시킵니다.

Awaki는 이번 연구에서 밝혀진 지식이 미래의 기술 발전을 위한 기반을 마련하는 데 도움이 될 것이라고 강조합니다.

“정교한 신경 회로와 결합된 근골격계 모델에서 다양한 속도로 걷기에 대한 성공적인 시뮬레이션은 신경 과학, 생체 역학 및 로봇 공학 통합의 중추적인 발전을 나타냅니다. 이는 고성능 이족 보행 로봇의 설계 및 개발에 혁명을 일으킬 것입니다. 보철물과 첨단 외골격을 강화했습니다.

이러한 개발은 장애인을 위한 이동성 솔루션을 개선하고 일상 생활에서 사용되는 로봇 기술을 발전시킬 수 있습니다.

Awaki와 그의 팀은 미래를 내다보며 반사 제어 프레임워크를 더욱 개선하여 더 넓은 범위의 인간 보행 속도와 움직임을 재현할 수 있기를 희망합니다. 그들은 또한 연구에서 얻은 통찰력과 알고리즘을 적용하여 보다 적응력이 뛰어나고 에너지 효율적인 보철물, 파워드 슈트, 이족 보행 로봇을 만들 계획입니다. 여기에는 특정 신경 회로를 이러한 응용 프로그램에 통합하여 기능과 움직임의 자연스러움을 향상시키는 것이 포함됩니다.

이 로봇공학 연구 뉴스에 대하여

작가: 섭외
원천: 도호쿠대학
의사소통: 홍보 – 도호쿠대학
그림: 이미지 제공: 신경과학 뉴스

원래 검색: 오픈 액세스.
“반사 기반 근골격계의 광범위한 속도에 걸쳐 에너지 효율적인 보행 제어를 위한 핵심 요소 식별“Dai Aoaki 외. PLOS 계산생물학

요약

반사 기반 근골격계의 광범위한 속도에 걸쳐 에너지 효율적인 보행 제어를 위한 핵심 요소 식별

인간은 에너지 효율성을 향상시키면서 광범위한 보행 속도를 생성하고 유지할 수 있습니다. 인간의 보행을 제어하는 ​​복잡한 메커니즘을 이해하면 에너지 효율적인 이족 보행 로봇 및 보행 보조 장치와 같은 엔지니어링 응용에 도움이 됩니다. 감각 피드백에 반응하여 운동 패턴을 생성하는 반사 기반 제어 메커니즘은 근골격 모델에서 인간과 같은 보행을 생성하는 데 가능성을 보여주었습니다.

그러나 정확한 속도 조절은 여전히 ​​중요한 과제로 남아 있습니다. 이러한 제한으로 인해 에너지 효율적인 걷기에 필수적인 반사 회로를 식별하기가 어렵습니다. 반사 제어 메커니즘을 탐색하고 에너지 효율적인 유지 관리 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 반사 기반 제어 시스템을 확장하여 목표 속도에 따라 보행 속도를 제어할 수 있었습니다.

우리는 반사 기반 이족 보행 시스템의 목표 속도를 유지하면서 보행 효율을 향상시키는 매개변수 변조기를 설계하기 위해 새로운 PWLS(성능 가중 최소 제곱) 방법을 개발했습니다.

우리는 시뮬레이션 환경에 입력하기 위한 목표 속도를 기반으로 2D 근골격 모델에서 0.7~1.6m/s의 보행 속도를 성공적으로 생성했습니다. 반전 기반 시스템의 매개변수 변조기에 대한 자세한 분석을 통해 에너지 효율에 큰 영향을 미치는 두 가지 주요 반전 회로가 밝혀졌습니다.

또한, 이 결과는 객관적 비용함수에서 매개변수인 다리길이, 감각시간지연, 체중계수 설정에 영향을 받지 않음을 확인하였다.

이러한 발견은 인간 걷기의 기초가 되는 복잡한 메커니즘을 강조하면서 움직임 제어의 신경 기반을 탐구하기 위한 강력한 도구를 제공하며 실용적인 엔지니어링 응용 분야에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.