Es gibt eine menschliche Figur, aber sie kann nicht gerade stehen! Wie sind humanoide Roboter entstanden?

Warum können gewöhnliche humanoide Roboter nicht aufrecht stehen?

Autor: Xing Boyang

Mit der rasanten Entwicklung der Technologie sind humanoide Roboter zu einem Teil unseres Lebens geworden. Von Haushaltsrobotern über Industrieroboter bis hin zu Performance-Robotern im Unterhaltungsbereich sind sie allgegenwärtig. Haben Sie sich jedoch jemals gefragt, warum diese scheinbar hochentwickelten humanoiden Roboter nicht immer gerade stehen können?

Zunächst müssen wir die Struktur und Bewegung humanoider Roboter verstehen. Humanoide Roboter bestehen normalerweise aus Kopf, Rumpf, Gliedmaßen und Gelenken, die ihre Bewegung durch Motoren und Getriebe ermöglichen. Beim Gehen müssen humanoide Roboter ihre Körperhaltung durch Drehen ihrer Gelenke anpassen, um das Gleichgewicht zu halten. Allerdings ist der Vorgang nicht so einfach.

Warum können humanoide Roboter nicht aufrecht stehen? Dafür gibt es mehrere Gründe:

1. Einschränkungen der mechanischen Struktur

Die mechanische Struktur ist einer der Hauptfaktoren, die dazu führen, dass humanoide Roboter nicht aufrecht stehen können. Humanoide Roboter haben einen relativ komplexen Aufbau und viele Gelenke, wodurch sie bei der Bewegung anfälliger für Reibung und Widerstand sind. Insbesondere an den Gelenken ist es für den Roboter aufgrund der vorhandenen Reibung schwierig, beim Gehen eine aufrechte Haltung beizubehalten. Darüber hinaus ist auch die Gewichtsverteilung des humanoiden Roboters ein wichtiger Faktor. Wenn das Gewicht auf einer Seite konzentriert ist, neigt sich der Roboter beim Gehen.

2. Probleme mit der Bewegungssteuerung

Aus Sicht der Robotersteuerung kann durch das Beugen der Knie sichergestellt werden, dass die Haltung des Roboters nicht singulär ist, wodurch die Steuerbarkeit des Roboters verbessert wird. Ungewöhnliche Haltungen sind Situationen wie die Streckung des Knies und die Koaxialität zweier Gelenke. In diesen Situationen wird entweder der zugängliche Raum des Gelenks kleiner (bei der Kniestreckung bewegt sich das Fußgelenk nur in einem Bogen mit der Beinlänge als Radius und kann sich nicht in den Bereich innerhalb des Bogens bewegen) oder es geht ein Freiheitsgrad verloren, was zu extremeren Belastungszuständen führt (zum Beispiel ist nach der Streckung des Knies die Tragfähigkeit in der Richtung senkrecht zum Bein extrem gering, die Tragfähigkeit entlang der Beinrichtung verdoppelt sich jedoch). Kurz gesagt, es entstehen dadurch knifflige Situationen, die in der Systemsteuerung nur schwer zu handhaben sind. Dinge wie die Division durch O kommen in der Mathematik häufig vor, was dazu führt, dass bei numerischen Berechnungen viele zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, dass während des Berechnungsprozesses eine „Division durch O“ auftritt.

Der Vorteil des Gehens mit gebeugten Knien besteht darin, dass die Haltungskontrolle des Roboters besser kontrollierbar ist. Da die Beine noch Platz zum Strecken haben, verfügen sie über genügend Anpassungsspielraum, um die Kontrolle auszuüben, wenn sich der Oberkörper an Störungen anpasst, die durch Bodenunebenheiten verursacht werden. Wenn beispielsweise vor der Landung eines Schwungbeins in einem bestimmten Schritt die tatsächliche Schwerpunktposition des Oberkörpers des Roboters aufgrund unerwarteter Erschütterungen höher liegt als erwartet, kann durch diesen Schritt der Beinlandung der Beugewinkel des Kniegelenks verringert und das Bein länger gestreckt werden, um den Fehler des schwebenden Schwerpunkts auszugleichen.

Generell gilt: Wenn unser Körper beim Gehen mit gebeugten Beinen zittert, können wir unsere Beine ein wenig strecken, um unsere Haltung zu korrigieren. Wenn wir mit gestreckten Beinen weitergehen, haben wir keine Möglichkeit, die Beine weiter zu strecken, was bedeutet, dass wir weniger Spielraum für Anpassungen haben.

Humanoide Roboter verbrauchen beim Gehen viel Energie. Die Feinheit der Energieeinsparung beim menschlichen Gehen liegt darin, dass es sich um eine energiesparende Bewegung handelt, die nicht völlig stabil ist. Beim Gehen scheint es, als würde ein Mensch seinen Körper ständig mit einem Stock nach vorne stützen und ihn dann ständig von hinten wegnehmen. Beim Gehen wird der größte Teil des Gewichts durch die Stützkraft des Stocks entlang der Achse in den Boden eingeleitet, und die Kraft der Gelenke wird nur verwendet, um den Vorwärtsschwung anzutreiben, um die Vorwärtsbewegung aufrechtzuerhalten, und um beim Wechseln der Gangart kurz abzubremsen, um ein Umkippen zu verhindern.

Die unvollständige Stabilität des menschlichen Gangs führt dazu, dass Gehen tatsächlich zu Stürzen führen kann. Beim Gehen mit gestreckten Beinen muss es beim Gehen einen Moment geben, in dem ein Bein gestreckt ist und der Körper durch die etwa koaxialen Oberschenkel- und Wadenknochen gestützt wird, um den Totpunkt der Verbindungsstange zu erreichen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Kniegelenk des gestreckten Standbeins nahezu antriebslos. Wenn der Körper dabei aus verschiedenen Gründen (z. B. plötzlicher Richtungswechsel oder Notbremsung) erschüttert wird und die Kraft der Hüft- und Fußgelenke nicht ausreicht, um das Kippmoment vollständig auszugleichen, neigt die Körperhaltung zum Kippen. Das Standbein hat wenig Bewegungsspielraum (das gestreckte Kniegelenk führt dazu, dass sich das Hüftgelenk nur auf einer Kegelfläche um den Knöchel bewegt und sich nicht am Bein entlang bewegen kann), und die Körperhaltung wird allmählich instabil, was zu einem Sturz führen kann (wenn die anderen Gliedmaßen keine Maßnahmen ergreifen).

Das Landen auf der Fußsohle mit gestreckten Beinen ist wie ein Stock, der vom Körper ausgestreckt auf dem Boden landet. Die durch die gestreckten Beine auf den Körper übertragene Kraft besteht hauptsächlich aus dem Schub entlang der Beinachse und dem Drehmoment der Hüft- und Sprunggelenke. Die Kraftübertragungsrichtung ist begrenzt, daher muss die Landeposition jedes Mal sehr sorgfältig berechnet werden, da der Körper sonst beim ersten Aufsetzen des Beins das Gleichgewicht verliert. Beim Gehen mit gebeugten Beinen können Sie durch Beugen der Kniegelenke die Größe und Richtung der auf Ihren Körper übertragenen Kraft anpassen.

Aus diesem Grund beugen Menschen bei ihren ersten Gehversuchen auf rutschigem Eis unbewusst ihre Knie, um das Gleichgewicht zu halten, anstatt einfach die Beine auszustrecken und darauf zu treten, was höchstwahrscheinlich dazu führen würde, dass sie ausrutschen oder sich den Boden unter den Füßen zerbrechen.

Humanoide Roboter verfügen derzeit über einen relativ großen Spielraum bei der Haltungsanpassung, was sich wiederum positiv auf die Stabilisierung der Oberkörperhaltung und des Gangs auswirkt. Allerdings verbraucht der Roboter aufgrund seiner nicht-humanoiden Gangart beim Gehen viel Energie, was zu einer Überschätzung der Leistung bei der Systemauslegung führt, was größere Antriebsgelenke erforderlich macht und den Roboter sperrig macht.

3. Unzureichende Sensorleistung

Um eine präzise Bewegungssteuerung zu erreichen, müssen humanoide Roboter auf verschiedene Sensoren zurückgreifen, um Umgebungsinformationen zu erhalten. Derzeit verwenden die meisten humanoiden Roboter auf dem Markt Sensoren wie Lidar, Kameras, Gyroskope und Beschleunigungsmesser. Allerdings verfügen diese Sensoren über eine begrenzte Leistung und es ist schwierig, Veränderungen in der Umgebung vollständig zu erfassen. Insbesondere bei starken Lichtveränderungen oder wenn sich Schmutz auf dem Boden befindet, kann es zu Fehleinschätzungen des Sensors kommen, wodurch der Roboter seine Position und Haltung nicht mehr genau einschätzen und somit keinen stabilen Stand halten kann.

4. Optimierung des Algorithmus der künstlichen Intelligenz

Mit der Entwicklung der künstlichen Intelligenz versuchen immer mehr Forscher, Methoden wie Deep Learning und Reinforcement Learning auf den Bereich humanoider Roboter anzuwenden. Diese Algorithmen können Robotern helfen, Veränderungen in ihrer Umgebung besser zu verstehen und sich daran anzupassen, was zu einem stabileren und natürlicheren Gang führt.

Allerdings ist die Anwendung dieser fortschrittlichen Algorithmen auf praktische Probleme noch immer mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, beispielsweise unzureichenden Daten und einer hohen algorithmischen Komplexität. Daher bleibt die Frage, wie diese Algorithmen mit vorhandenen Bewegungssteuerungsmethoden kombiniert werden können, um die Stabilität und Gehleistung humanoider Roboter zu verbessern, ein dringendes Problem, das gelöst werden muss.

Kurz gesagt: Das aktuelle Phänomen, dass humanoide Roboter nicht aufrecht stehen können, ist das Ergebnis des Zusammenwirkens mehrerer Faktoren. Im zukünftigen Entwicklungsprozess müssen wir die mechanische Struktur, den Bewegungssteuerungsalgorithmus, die Sensorleistung und andere Aspekte kontinuierlich optimieren und künstliche Intelligenztechnologie nutzen, um die Stabilität und Gehleistung des Roboters zu verbessern.