"Batı Dünyası" ndan başlayarak, Biyonik Robotlar Hakkında On İki Soru CCF-GAIR 2018
Purdue Üniversitesi'nde doçent olan Deng Xinyan, gerçek çalışmalarını birleştirdi ve biyolojik hareket mekanizmaları ve biyomimetik robotlardaki atılımlarını ve en son gelişmeleri paylaştı.
"Batı Dünyası" nın ikinci sezonu sinemalarda.Oyunda bilim adamlarının yaptığı biyonik resepsiyonistler konuşma ve eylemlerinde insanlardan farksız, daha da korkutucu olan, öz farkındalığa sahip olmaları.
Oyundan gerçeğe, bu yılın Mayıs ayında Boston Dynamics, iki ayaklı robot Atlas'ın en son geliştirmesini gösterdi.Videoda, Atlas sadece bir dış ortamda özgürce koşmakla kalmıyor, aynı zamanda engelleri özerk olarak aşabiliyor. Atlas büyük ilerleme kaydetmiş olsa da, Westworld'deki son derece zeki resepsiyonistlere kıyasla Atlas'ın yeni doğmuş bir bebek gibi olduğu inkar edilemez.
Resim: Atlas engellerin üstesinden geliyor
Şu anda akademik çevrede biyonik robotlarla ilgili araştırma hangi aşamada? Biyonik robot araştırmalarında karşılaşılan zorluklar nelerdir? Yabancı ülkelerle karşılaştırıldığında, Çin'deki önde gelen araştırma konuları nelerdir? Bu sorular dizisine odaklanan AI Technology Review, Purdue Üniversitesi'nde doçent olan ve Purdue Üniversitesi Biyo-Robotik Laboratuvarı'nın (özellikle biyolojik hareket mekanizmalarını ve biyonik robotları araştıran) başkanı olan Deng Xinyan ile özel bir röportaj gerçekleştirdi.
Deng Xinyan'a göre, biyomimetik robotlar; malzemeleri, elektromekanik, kontrol, tasarım, mekanik ve biyolojik algı ve hareket kontrolü gibi biyolojik araştırmalarla birleştirilen multidisipliner bir konudur. Araştırma hedefleri esas olarak sinek kuşları, zebra ispinozları, güveler, arılar, sinekler, meyve sinekleri gibi uçan böcekler ve kuşlardır. Araştırma konuları, kanat çırparak uçuş kontrolü ve kararsız aerodinamik prensibine dayanmaktadır. Araştırmaları ayrıca biyonik balıkları da içeriyor ve AI ile biyonik robotları birleştiren ilgili çalışmalar da var.
29 Haziran - 1 Temmuz tarihleri arasında Shenzhen'de düzenlenen CCF-GAIR 2018'de Profesör Deng, konferansa biyonik robot özel oturumunun başkanı olarak katılacak ve raporlar ve konuşmalar vermek üzere yurtiçi ve yurtdışındaki bir dizi yetkili biyonik robotik misafirini davet edecek ve organize edecek.
Aşağıdaki orijinal röportajdır:
1. Biyolojik hareket mekanizması araştırması, biyomimetik robotların araştırılmasını nasıl teşvik eder? Biyomimetik robot araştırmalarına biyolojik hareket mekanizması araştırması nasıl uygulanır?
Cevap: Biyomimetik robotların tasarımına ve eylem kontrolüne biyolojik hareket mekanizması çalışması rehberlik edebilir. Örneğin, biyolojik kanatların çırpma yörüngesinin belirli yasaları vardır. Bu yasaları çıkararak, kanatlarda üretilen anlık ve ortalama kaldırmayı hangi faktörlerin etkileyeceğini bize söyleyebiliriz. Bu parametrelerdeki değişiklikler, havada süzülme, ileri ve Dönün veya hızlanın.
Bunu uygularken, biyomimetik robotun şekli körü körüne taklit etmek yerine canlı varlıkların hareket mekanizmasından ilham alacak şekilde tasarlandığına dikkat edilmelidir. Örneğin, bir sineğin bir çift kanadında 12 çift büyük kas grubu ve 18 çift küçük kas grubu vardır.Robot tasarımındaki her sürüş bağlantısını taklit etmemiz imkansız ve gereksizdir.Bu nedenle, kanatların yörüngesini nasıl kaldıracağımızı ve kontrol edeceğimizi incelerken, biz Ana kas gruplarının etkileyen faktörleri incelenebilir ve bu çalışmalar, biyolojik uçuş etkilerine yaklaşırken uçağın tasarımını basitleştirmek için birleştirilebilir.
2. Biyolojik uçuş araştırması yapılırken, böcek uçuşu ile kuş uçuşu arasındaki fark nedir? Uçuş mekanizmalarını uçuş sistemlerine uygularken avantajları ve dezavantajları nelerdir?
Cevap: Aynı şey kanat çırpmaktır.Böceklerin ve kuşların aerodinamik prensipleri farklıdır. Birincisi yüksek frekanslı kanat çırpmayı gerektirirken, ikincisinin çırpma frekansı çok düşük olabilir. Aynı zamanda, kuşların kanatları iskelet kaslarına sahiptir, bu nedenle anında uçuş kontrolü sağlamak için aktif olarak deforme olabilirken, böceklerin yüzeyi deformasyonu aktif olarak kontrol edemez. Son olarak, böcekler havada asılı kalabilir, ancak diğer kuşların çoğu bunu yapamaz. Onlar da ikisinin farklı aerodinamik prensiplerinden türetilen ileri hıza ihtiyaç duyarlar. Sinek kuşları çok özeldir, kuş ve böcek avantajlarına sahiptirler, kanatlarının deformasyonunu aktif olarak kontrol edebilirler ve uçuş sırasında böcek gibi havada gezebilirler. Sinek kuşunun kanatlarının, şahin güveleri gibi böceklere benzer şekilde sık sık çırptığı unutulmamalıdır.
Bu canlıların uygulama ölçekleri ve senaryoları da farklıdır. Böcekler ve sinek kuşları küçük alanlarda gezinebilir ve esnek bir şekilde dönebilir. Diğer kuşların ileri hızda olmaları gerektiğinden, uçmak için daha fazla alana ihtiyaçları vardır. Aynı şekilde kendi avantajları da uygulama senaryosuna bağlıdır.Düşük hızlı, kısa mesafe ve küçük uzay senaryosunda böceklerin ve sinek kuşlarının uçuşuna, uzun mesafeli ve yüksek hızlı uçuşa ihtiyacınız olduğunda diğer kuşlara başvurabilirsiniz.
3. Geliştirdiğiniz kanat çırpıcı uçuş sisteminin mevcut stabilite ve uçuş kontrolü seviyesi nedir? Bunun arkasında esas olarak hangi biyolojik hareketlerden bahsedilir?
Cevap: Şu anda geliştirdiğimiz uçuş sistemi kararlı bir şekilde havalanabiliyor, havalanabiliyor ve havada süzülüyor, bahsettiğimiz canlılar sinek kuşları ve böceklerdir (meyve sinekleri, şahin güveleri, arılar, sinekler vb.) Bu tür canlıların uçuş mekanizmalarını esas alacağız. Ortak araştırma ve uygulama.
4. Uçuş sisteminin tasarımında, organizmaların hareketine atıfta bulunmanın yanı sıra, başka hangi kilit teknolojileri dahil ettiniz? İstikrarlı bir uçuş sistemi geliştirmek için temel zorluklar nelerdir? Hava durumu ve uçak ağırlığı gibi dış faktörlerin bu uçuş sistemi üzerinde ne kadar etkisi var?
Cevap: İlgili teknolojiler arasında mekanik yapı tasarımı (3B baskıdan sonra), uçuş kontrol algoritması, devre tasarımı, kanat şeklinin ve esnekliğin optimizasyonu, kanat üretim süreci, kanadın anlık yörünge izleme kontrol algoritması, elektromanyetik sürücü tasarımı, motorlu menteşe bulunmaktadır. Eklem esnekliği ve sertliğinin optimizasyonu, sensör füzyonu vb.
Amacımız, sensör geri besleme kontrolü ile otonom uçuşa ulaşmaktır: Öncelikle, kendi ağırlığını ve yükünü kaldırmak için yeterli kaldırma kuvveti oluşturmak için kanatların yüksek frekanslı çırpılmasını sağlamak, ardından anlık kanat yörüngesini izlemek ve son olarak robotun uçuş tutumu ve pozisyonunun stabilitesine ulaşmak. Ve sabit noktalı gezinme ve yörünge izleme.
Birincisi, kanatların yüksek frekansta çırpılması sağlanamıyorsa, havada süzülmeleri mümkün değildir.Bu, böcekler ve sinek kuşları gibi canlıların özel kararsız aerodinamiği tarafından belirlenir.İkincisi, kanat yörüngesi, kendi ağırlığının üstesinden gelmek için yeterli kaldırma sağlamak üzere optimize edilir ve Yükleyin ve uçuş kontrolü için yeterli kontrol marjı sağlayın; üçüncüsü, yüksek frekans kontrolünün gerekli olduğu ve yetersiz çalıştırılan sistemlerin kontrolünü gerçekleştirmek için makul bir kontrol algoritmasının tasarlandığıdır. 6 serbestlik derecesini kontrol etmek için iki motor (veya kendi geliştirdiğimiz iki elektromanyetik sürücü) kullanmamız gerekir; dördüncüsü, yüksek frekanslı titreşim altında sensörlerden etkili sinyalleri çıkarmak ve kaynaştırmak gibi yüksek frekanslı titreşim sistemlerinin özel zorluğudur; ayrıca, Sistem yapısının işleme teknolojisi, simetrisi ve tekrarlanabilirliği, uçuş kontrol etkisini etkileyecektir.
Hava durumu, rüzgar rahatsızlığı, yağmur vb. Gibi dış etkenler, küçük ölçekli kanat çırpan uçakları etkileyecektir. Dış parazit belirli bir aralık dahilindeyse, parazit önleme sağlanabilir.Örneğin, yakın zamanda yaptığımız bir projemiz, kanatlı uçuşun kendisinin doğal bir rüzgâr bozukluğu önleme işlevine sahip olduğunu buldu.Geçerli deneysel sonuçlar, hava türbülansında gözlemlediğimiz monark kelebeklerinin göçünü doğruladı. Katmanlar halinde uçuş performansı. Akran laboratuvarları tarafından yapılan araştırmalar, sivrisinek kanatlarının su geçirmezliğinin yağmur damlaları kanatlara çarptığında büyük ölçüde etkilenmelerini önleyebileceğini de buldu. İkinci olarak, aktif kontrol perspektifinden bakıldığında, belirli bir aralıktaki harici parazitlere direnmek için sağlam kontrol de kullanılabilir. Elbette rüzgar ve yağmur belli bir seviyeye ulaşırsa uçak uçamaz. Rüzgarlı ve yağmurlu günlerde, uçan kuşlar ve böcekler dışarıda görülemez.
Uçağın ağırlığı, dikkate alınması gereken en önemli faktördür. Havada asılı kalabilen kanatlı kanat uçuşunu gerçekleştirmedeki en büyük zorluk, kendi ağırlığını artırmak ve yükün ağırlığının üstesinden gelmek için yeterli kaldırma oluşturması gerektiğidir. Buna eklenen tüm bileşenlerin dikkate alınması gerekir. Hacim ve ağırlık da herhangi bir ek kontrol mekanizması tasarlanırken dikkate alınması gereken konulardır. Bir kontrol mekanizmasının (servo motor gibi) eklenmesi, düşük tahrikli sistemin kontrol etkisini geliştirecek, ancak aynı zamanda ağırlığı da artıracaktır, bu nedenle bu, dengelenmesi gereken bir sorundur. Genel olarak, maksimum kaldırma ve kararlı ve esnek uçuş kontrol efektleri elde etmek için en basit ve en hafif tasarımı kullanmamız gerekir.
5. ICRA2017'de yayınladığınız iki makalenin her ikisi de sinekkuşu robotları ile ilgilidir (Robotik sinek kuşunun tasarım optimizasyonu ve sistem entegrasyonu, uçan robotik sinekkuşunun geometrik uçuş kontrolü) Sinek kuşu robotlarının gelişiminin tarihçesi nedir ve kuşlara yapılan referanslar nelerdir? özellik? Sinekkuşu robotları üzerine araştırmanızın ana yönleri nelerdir?
Resim: Sinek Kuşu
Cevap: Sinekkuşu robotu, Aerovironment tarafından 2006 ve 2011 yılları arasında Amerika Birleşik Devletleri'nde başarıyla geliştirilen, 19 gram ağırlığa, 16,5 cm kanat açıklığına ve 30 Hz kanat çırpma frekansına sahip biyonik bir kanat çırpma uçağı olan Nanohummingbird'e kadar izlenebilir. Bu uçak uzaktan kumanda ile çalıştırılabilir. Gezinme, ileri uçuş ve takla atmayı gerçekleştirin. Nanohummingbird'ün tasarımı, yeterli kaldırma sağlamak için yüksek frekanslı kanat çırpma elde etmek için bir çift bağlı kanadı çalıştırmak için bir motor kullanmak ve ardından uçuş kontrolünü elde etmek için iki kanadın kavis açısı farkını değiştirmek için bir direksiyon dişlisi (servo motor) eklemektir. Son yıllarda, iki veya üç laboratuvar bu tasarımı başarıyla kopyaladı.
Ödünç alan kuşların özelliği, uçuşu kontrol etmek için kuyruksuz bir çift kanat çırpmalarıdır. Bir sinek kuşu gibi havada süzülmek için, bunun yeterince yüksek bir çırpma frekansı ile başarılması gerekir.
Çırparak kanat uçuşunun en büyük avantajı, sol ve sağ kanatların yörüngesindeki küçük farkla elde edilen manevra kabiliyeti ve esnekliktir. Kanat çırpmanın benzersiz avantajlarını yansıtmak için laboratuvarımızdaki sinek kuşu robotları veya böcek robotları, her iki kanadın bağımsız bir şekilde kontrol edilmesini ve bağımsız bir şekilde kontrol edilmesini benimser. Bir diğer özelliğimiz ise, yüksek frekanslı rezonans kanat çırpma sistemi, dayanıklı ve yorulma önleyici kanat sistemi gerçekleştirebilen kendi özel tasarlanmış elektromanyetik sürücümüze sahip olmamızdır.
6. Önceki makalede, sinekkuşu robotu için hangi tasarım optimizasyonlarını ve sistem entegrasyonlarını yaptınız ve bunun etkisi neydi?
Cevap: Bir mikro uçuş sistemi için, her bir alt sistem ve bileşen hafif ve etkili olmalıdır.Sistemin bir bütün olarak optimizasyonu zordur çünkü her bileşen, özellikle tahrik mekanizması ve pil devresini etkileyecektir. Çırpma kanat tahriki ve mekanizması çok özeldir Yöntemimiz, tek tek bileşenlerin geleneksel optimizasyonu olan kaldırma-ağırlık oranını (kaldırmanın ağırlığa oranı) büyük ölçüde iyileştiren benzersiz bir tahrik tasarımını ve tüm makine sisteminin optimizasyonunu birleştirir. Ulaşıldı. Deneyin sonucu, kalkış, havada asılı kalma ve duruş stabilitesini sağlamak için farklı tasarımlara ve optimizasyonlara dayalı üç kanatlı uçak kullandığımızdır.
7. İkinci yazıda, sinekkuşu robotunun uçuş kontrolü ne dereceye kadar ulaştı ve anahtar teknolojiler ve zorluklar nelerdir?
Cevap: Çırpma kanat sistemi küçük boyuttadır, kaldırma oluşturma mekanizması karmaşıktır ve güçlü doğrusal olmama ve belirsizliğe sahiptir. Kanatların aerodinamiği son derece periyodik ve salınımlıdır, bu sadece kanat çırpmanın avantajı değil, aynı zamanda uçuş kontrolüne zorluklar da getirir. Kontrol algoritmamız, sistemin geometrik özelliklerini etkili bir şekilde kullanır, doğrudan doğrusal olmayan kontrolü benimser, kontrol doğruluğunu ve çalışma aralığını etkili bir şekilde geliştirir ve doğrusallaştırmaya dayanan geleneksel yöntemlerin dezavantajlarından kaçınır. Deneysel etki, tüm makinede küresel yakınsama doğrusal olmayan geometrik kontrol elde etmek ve böylece tutum kararlılığı kontrolü sağlamaktır.
8. Biyonik mekanik balığınızın performansı nedir? Geliştirme sürecinde hangi zorlukların üstesinden gelinmesi gerekiyor?
Cevap: Robotik balıklar için yerçekimi konusunu (yerçekimi ve kaldırma kuvveti suda dengelenecek şekilde tasarlanabilir) göz önünde bulundurmaya gerek olmadığından biyonik balığın sürücüsünü, sensörünü, pilini, kamerasını vb. Entegre ettik. Şu anda bir kuyruk yüzgeci ve basit bir nesneyi bağımsız olarak takip edebilen iki yan yüzgeci var.
9. Biyonik robotların (sinekkuşu robotları, mekanik böcekler, mekanik balıklar vb.) Teknolojisinin mevcut seviyesi nedir? Hayvanlar kadar esnek veya onlardan daha esnek bir biyonik robot oluşturmak için zorluklar nelerdir?
Cevap: Biyonik robotlarda pek çok ilerleme ve başarı oldu.
Aerovironment Nanohummingbird ve Harvard'ın Robobee gibi uçuş sınıfları iki tipik örnektir.
Sualtı robot balığı ilk olarak 1990'ların ortalarında MIT'nin Robotuna'sı ile başladı ve o zamandan beri daha başarılı tasarımlar ortaya çıktı.
Karadaki en tipik dört ayaklı robot, Boston Dynamics'in robot köpeğidir.
Resim: Boston Dynamics Robot Köpek
Sürüngenler arasında yılan robotları, hamamböceği robotları ve birçok geko robotu bulunur.
Uçan robotlar için şu anda çözülmesi gereken, sensör geri beslemesi ile otonom uçuş gerçekleştirmek ve sürücünün voltaj ve güç tüketimini göz önünde bulundurmaktır.
Sistem için, çok yüksek derecede esneklik gerektirdiğinden, bu, uçuş kontrol gereksinimlerinin çok yüksek olacağı anlamına gelir. Uçuş sisteminin sol ve sağ kanatları çok simetrik olmalı ve sistemin elde edebileceği uçuş etkisinin daha da iyileştirilmesi gerekiyor.
Bu tür özelleştirilmiş robotların özelliğinden dolayı, bir üniversite laboratuvarı olarak, her zaman belirli büyük ölçekli veya özel deneysel ekipmanların kaldıramayacağı zorluklarla karşı karşıyayız.3B baskılı parçalara ek olarak, birçok parça elle işlenir. İşlenmiş parçaların standardizasyonu ile ilgili sorunlar var. Bazen laboratuarlar endüstri gibi çok kesin standartlar yapamazlar. Bileşenlerin standardizasyonu, sistem entegrasyonunu ve uçuş kontrol etkisini büyük ölçüde geliştirecektir.
10. Bu biyonik robotların pratik uygulamaları nelerdir? Gelecekteki başvuru beklentisi nedir?
Cevap: Uçan biyonik robotlar küçük boyutlu, havada asılı durabilen, manevra kabiliyetine sahip ve esnektir.Bu özellikler, küçük alanlarda ve iç mekanlarda kullanılmasını sağlar.Özel sahnelerde harabe, yangın sahası, deprem sonrası radyasyon alanları vb. Gibi özel sahnelerde kullanılabilirler. Arama kurtarma ve soruşturma yürütün. Karadaki biyonik robotlar, çeşitli arazilerde ve yerin altındaki dar alanlarda da kullanılabilir. Sudaki biyonik robotik balık, gemi enkazlarını ve su altı ekolojisini inceleyebilir.Örneğin, kendi geliştirdiği bir motorla sürülen mevcut biyonik balıklarımız çalışma sırasında çok sessiz olabilir ve pervane kadar gürültülü olmayacaktır.
Deniz, kara veya hava olsun, biyonik robotların çok geniş uygulama olanakları vardır. Canlı yaratıklar karşılıklı hareketle hareket ederken, geleneksel yapay sistemler pervanelerle çalıştırılır. Yüksek hız ve uzun mesafe için uygun olan ikincisi ile karşılaştırıldığında ilki, küçük alanlarda daha yüksek esneklik gerektiren sahneler için daha uygundur. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte, gelecekte biyonik robotlar, geleneksel büyük ölçekli robotların ve uçakların bekleyemeyeceği birçok özel duruma ve mekana uygulanacak.
11. 2017 yılında mobil robotlarda yapay zeka kullanımının araştırma alanının görece boş olduğunu söylediniz Mevcut sıcak yapay zeka ve mobil robotların entegrasyon noktaları nelerdir? İlgili araştırma yaptınız mı?
Cevap: ICRA2018'den yeni döndüm ve şimdi giderek daha fazla laboratuvar mobil robotları yapay zeka algoritmalarıyla birleştiriyor. Sürücüsüz arabalar, mobil robotları yapay zeka ile birleştirmenin tipik bir örneği olsa da, sürücüsüz arabalara ek olarak şu anda en yaygın yapay zeka uygulaması görme ve görüntü işlemede yatıyor. Aslında her türlü mobil robotun (uçan, kara, su altı vb.) Yapay zeka ile birleştirilme potansiyeli büyüktür. Özellikle biyonik robotun yapay zeka ile birleştirilebilecek birçok yönü vardır. Şu anda, pek çok laboratuvar, pekiştirmeli öğrenme ve taklit öğrenme gibi algoritmalar aracılığıyla belirli bir kavrama ve bırakma işlevini öğrenmek için robotik kolu eğitmek gibi makine öğrenimi ve robotik kol kontrolünü birleştiren işler yapıyor. Laboratuvarımızda şu anda yapay zeka ve robotik yönünde çeşitli bilimsel araştırma konuları bulunmaktadır; bunlardan biri, sinekkuşu robotlarının uçuş kontrol etkisini eğitmek ve iyileştirmek için makine öğrenimi ile birlikte biyolojik ve biyonik robot uçuş verilerini (vücut pozisyonu ve duruşu, kanat yörüngesi vb.) Kullanmaktır. Ve ortamdaki ve kendi parametrelerindeki değişikliklere hızla uyum sağlama yeteneği.
12. Sizce biyonik robotlar alanında önde gelen yerli araştırmalar nelerdir?
Cevap: Daha önce bahsedilen çeşitli yabancı biyomimetik robotlarla karşılaştırıldığında, bu alandaki yerel araştırmalar biraz sonra başladı, ancak son yıllarda muazzam bir büyüme oldu. Peking Üniversitesi ve China Southern Airlines'ın robotik kertenkelesi gibi yerli robot balıklar çok başarılı ve öncü örneklerdir.Ayrıca birçok laboratuvarın son başarıları da var bu yüzden tek tek örnek vermeyeceğim.
Yukarıdaki röportajı okuduktan sonra, herkes biyonik robotlar hakkında daha fazla bilgi ve anlayışa sahip olacaktır. Profesör Deng, bu yıl CCF-GAIR Biyonik Robotlar Konferansı başkanı olarak görev yapacak ve bu alandaki en son bilimsel araştırma sonuçlarını sergilemek için bu foruma yurtiçi ve yurtdışındaki tanınmış uzmanları ve profesörleri davet edecek. Forumun mikro ölçekli biyonik robotlar, su altı robotları, sürünen robotlar, uçan robotlar ve diğer yönleri içereceğini söyledi.
Profesör Deng, uzmanlar ve akademisyenler ile iletişim kurmak için CCF-GAIR 2018 sitesine hoş geldiniz. Üniversite öğrencilerine ayrıca 3999 yuan değerinde bir dizi CCF-GAIR 2018 bileti sağlayacağız. Ayrıntılar için lütfen şu adresi ziyaret edin: Refah | Sınıf arkadaşları, size vereceğim 3999 yuan değerinde bir GAIR biletim var
