И научили его вставать и ходить
Японские инженеры из Токийского университета создали робота-аниматроника по образу одного из персонажей японского анимационного фильма «Судзумэ, закрывающая двери» — они воспроизвели оживший стул без одной ноги. С помощью обучения с подкреплением разработчики научили робота ходить и самостоятельно вставать на ноги из лежачего положения. Препринт доступен на arXiv.org.
Аниматрониками называют роботов, которые имитируют своим внешним видом и движениями живых существ или вымышленных персонажей из художественных произведений. Обычно их используют в киноиндустрии, когда требуется создать реалистичную сцену, или, например, в развлекательных тематических парках для взаимодействия с посетителями. Так, множество подобных роботизированных персонажей разрабатывают в компании Disney. К примеру, недавно там представили нового робота для живых представлений по мотивам «Звездных войн».
Однако иногда аниматроников разрабатывают в исследовательских или образовательных целях. Над одним из таких проектов работают инженеры под руководством Масаюки Инабы (Masayuki Inaba) из Токийского университета. Они вдохновились героем анимационного фильма Макото Синкая «Судзумэ, закрывающая двери» — сломанным стулом, у которого отсутствует одна из четырех ног. По сюжету фильма стул может самостоятельно передвигаться: ходить, бегать, прыгать и самостоятельно вставать на ноги из лежачего положения. По его образу исследователи создали ходячего робота и на его примере изучили особенности генерации походки на трех ассиметрично расположенных ногах.
Инженеры сделали робота максимально простым и использовали наиболее дешевые компоненты, так что их общая стоимость не превышает 60 долларов. Все части корпуса изготовлены с помощью 3D-печати. Спинка стула выполнена в виде каркаса, покрытого прозрачной окрашенной пленкой. Это решение позволяет снизить вес конструкции и упростить балансировку, поскольку тяжелая сплошная конструкция усложнила бы поддержание равновесия несбалансированного робота с ассиметрично расположенными ногами.
Внутри полого сидения располагается вся электроника, включая шесть сервомоторов и плату управления Arduino Nano Every. Ноги робота, имитирующие ножки стула и не имеющие коленных суставов, расположены ассиметрично в трех углах прямоугольного корпуса. Каждая из них приводится в движение двумя сервомоторами, которые соединяются через карданный подвес. Они обеспечивают ногам робостула по две степени свободы и отклонение в пределах 50 градусов от вертикали во всех направлениях.
Управление движением происходит через плату Arduino Nano Every. Она связана с внешним ПК, на который пересылается информация о текущей ориентации корпуса робота, полученную с помощью инерциального измерительного устройства (IMU). Алгоритм на ПК вычисляет новые значения углов сервоприводов, которые затем устанавливаются по команде с платы Arduino.
Разработчики научили робота ходить и самостоятельно подниматься на ноги из лежачего положения. Для этого они использовали два независимых подхода: генерацию движений через соединение позиций и обучение с подкреплением. В первом подходе вручную задаются ключевые позы робота, а для создания плавного перехода между ними используется линейная интерполяция. Для обучения с подкреплением авторы использовали алгоритм оптимизации проксимальной политики (Proximal Policy Optimization), а сам процесс проходил в физическом симуляторе для обучения роботов NVIDIA Isaac Gym.
При испытаниях выяснилось, что, несмотря на асимметричную структуру тела робота, оба метода подходят для создания алгоритмов движений. Однако походка, созданная методом обучения с подкреплением, оказалась более устойчивой по сравнению с методом соединения необходимых поз. Кроме того, алгоритм вставания из лежачего положения, полученный с помощью обучения с подкреплением оказался более адаптивным, так как он учитывал обратную связь от сенсора IMU, благодаря чему робот мог успешно вставать из разных начальных позиций.
Возможно в будущем роботы-аниматроники смогут заменить живых актеров при выполнении опасных трюков в процессе киносъемок. Инженеры из Walt Disney Imagineering уже работают над созданием гуманоидного робота, который будет способен выполнять сложные акробатические прыжки.
Это пригодится для обследования разрушенных зданий
Швейцарские инженеры разработали для четвероногих роботов двухуровневый нейросетевой алгоритм управления. Он позволяет робособакам передвигаться по сложной неструктурированной местности с хаотично расположенными препятствиями, в том числе проходить, приседая к земле и двигаясь в полуприседе под нависающими сверху объектами, которые ограничивают высоту прохода. Готовые алгоритмы проверили в симуляции и на реальных четвероногих роботах ANYmal. Препринт статьи опубликован на сайте arxiv.org.