Změna chůze šestinohého kráčejícího robotu po poškození končetiny

Abstract

K poškození nohy šestinohého kráčejícího robotu, které zamezuje další lokomoci, může při robotizaci lidské práce v nebezpečném prostředí, jakým jsou doly nebo zborcené budovy, snadno dojít. Aby byli lidé vyvarováni nebezpečí, musí robot fungovat autonomě. Výměnou robotů za lidi se ale prostředí nestane o nic bezpečnější, takže se robot při vykonávání práce může snadno poškodit. V případě poničení musí být robot schopen pokračovat ve svém úkolu, vrátit se k lidskému operátorovi kvůli opravám nebo aspoň rychle opustit místo, kde došlo k poškození, protože tam může hrozit další nebezpečí. Žijící šestinohé organismy, které jsou předlohami pro šestinohé kráčející roboty, jsou celkem rychle schopny se vzniklé amputaci svojí chůzí přizpůsobit. V této práci použivám z přírody odpozorovaná pravidla, určující vztahy mezi pohyby jednotlivých nohou. Tato pravidla upravují závislosti v dynamickém systému, který po amputaci mění rytmus pohybu robota, aby vykompenzoval chybějící nohu. Metoda adaptuje rytmus na základě vnitřního stavu dynamického systému, takže nepotřebuje žádný kontinuální senzorický vstup. Výsledná lokomoce je vyhodnocena navrženou ohodnocující funkcí, která upřednostňuje především stabilitu rychlosti a orientace robotu. Výsledná metoda je porovnána s konkurenční metodou, založenou na zpracování senzorického vstupu, a překonává ji kvalitou ve dvou ze tří testovaných scénářů amputace a konzistentností ve všech testovaných scénářích. Obě metody jsou také porovnány s navrhovaným přístupem optimalizace pomocí evolučního algoritmu, kde toto testování odhaluje společné trendy v adaptaci lokomoce po amputaci nohy u všech tří metod, navzdory jejich odlišným optimalizačním kritériím. Výsledky podporují myšlenku, že použitá z přírody odpozorovaná pravidla jsou vhodnou heuristikou pro adaptaci lokomoce a nalezené podobnosti mezi výsledky lokomoce a jejího ohodnocení u jednotlivých metod poukazují na možné vylepšení definice těchto pravidel.

The hexapod walking robot can easily come to leg damage, preventing the robot from locomotion while replacing humans on a mission in dangerous environments, like mines or collapsed buildings. To keep people away from the threats, the robot has to work autonomously. However, switching out the robots and people does not make the environment any less hostile, so the robot can be easily damaged during its task. In the case of damage, the robot has to continue in its task, get back to the human operator for repairs, or at least quickly leave the dangerous place where it came to harm because more damage can happen. The living six-legged organisms, which are templates for the hexapod walking robots, are able to adjust their locomotion swiftly after the leg amputation. In this work, I use nature-observed rules dictating relations among movement of individual legs. The rules provide dependencies within a dynamic system adjusting the robot's movement rhythm after the amputation to compensate for the missing leg. The method adapts based on the state of the system itself; hence, no continual sensory feedback is needed. The resulting locomotion is evaluated by the proposed reward function favoring mainly the stability of locomotion speed and stability of the robot's orientation. The proposed method is compared with competing sensory-based state-of-the-art method and overcomes it in terms of performance in two out of three tested amputation scenarios with more consistent results in all tested scenarios. Both the competing methods are also compared with proposed evolution algorithm optimization approach, revealing similar trends in locomotion adaptation across all the compared methods despite their different optimization criteria. The results support the nature-observed coordination rules as a suitable heuristic for locomotion adaptation and suggest the rules improvement given the observed relations between resulting locomotion and its gained reward.