Изогнутая проволока перенесла движения виртуальных персонажей в реальность
Разработчики из Disney Research представили алгоритм, позволяющий создавать каркасы реалистично двигающихся роботов, повторяющих движения виртуальных персонажей. Пользователю необходимо задать строение робота и набор его движений, после чего алгоритм самостоятельно рассчитает расположение и тип сгибов, которые позволят одной проволоке охватить весь набор движений. Разработка была представлена на конференции SIGGRAPH Asia 2018.
Современные компьютерные алгоритмы способны учиться точно копировать движения человека, к примеру, даже выполнять трюки с переворотом. Однако при переносе этих навыков на реальных роботов у инженеров возникают технологические проблемы, связанные с тем, что роботы не обладают таким же большим набором мышц и гибких тканей. В результате при выполнении сложных движений виртуальной модели реальный робот может воспроизвести их только приближенно и в определенных положениях.
Инженеры из Disney Research под руководством Морица Бехера (Moritz Bächer) научились автоматически создавать реалистично двигающихся роботов, состоящих из проволок. Эти проволоки составляют скелетоподобный каркас для роботов, части которого двигаются благодаря натяжению прикрепленных к ним тросов.
Инженеры создали алгоритм, который автоматически подбирает параметры проволоки для робота. Изначально пользователю необходимо предоставить алгоритму исходные данные — скелетоподобную модель, состоящую из прямых и жестких сегментов разной длины, соединенных сочленениями, а также набор из нескольких положений. Сложность задачи заключается в том, что весь этот набор движений должна охватить одна и та же проволока.
Разработчики решили проблему непрерывности движений робота с помощью проволок с переменной жесткостью. После получения модели и движений от пользователя алгоритм подбирает для каждого сегмента проволоки такую жесткость, чтобы вся проволока смогла повторить заданный набор движений. Переменную жесткость инженеры реализовали с помощью изгибания проволоки в пружины определенных конструкций. На втором этапе алгоритм заменяет прямые сегменты зигзагообразными пружинами с оптимальными свойствами. После этого наступает последний этап, на котором алгоритм оптимизирует конструкцию, перебирая гораздо большее количество пружин разных конструкций из своей базы данных, к примеру, в виде незамкнутого пятиугольника и даже продольной пружины.
Полученная в результате работы алгоритма схема пружин отдается на аппарат, который самостоятельно подает проволоку и изгибает ее с помощью вращающегося колеса с штырем. Затем проволоки закрепляются на корпусе робота и связываются с моторами при помощи тросов. Таким способом инженеры создали шесть прототипов, в том числе руку, способную захватывать предметы, и шестиногого робота-божью коровку.
Ранее специалисты из Disney Research уже показывали свои разработки в этой и смежных областях. К примеру, они создали другую систему, которая также принимает на входе скелетоподобную структуру виртуального персонажа и рассчитывает для нее составные элементы и расположение тросов, но в той работе исследователи использовали только жесткие элементы. Позднее они также создали алгоритм для сборки из универсальных модулей четвероногих роботов, выполняющих заданные пользователем движения.
А другая группа инженеров в 2017 году научила алгоритм создавать из проволоки и двух моторов роботов, выполняющих конкретную задачу. К примеру, он может сам подобрать такой набор изгибов, чтобы робот мог ползти по трубе, скручиваясь в разные стороны.
Григорий Копиев
Он надежно обхватывает хрупкие предметы, не повреждая их
Инженеры из Японии и Вьетнама разработали мягкий манипулятор ROSE, способный бережно захватывать хрупкие предметы, не повреждая их. Он состоит из мягкой воронкообразной оболочки, напоминающей цветок розы, которая способна скручиваться, равномерно обхватывая предмет, оказавшийся внутри. Благодаря своей универсальности и прочности манипулятор может пригодиться в сельском хозяйстве для сбора урожая. Доклад с описанием конструкции был представлен на конференции Robotics: Science and Systems, 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Чтобы робот мог безопасно взаимодействовать с хрупкими объектами, его обычно оснащают манипуляторами, в конструкции которых присутствуют мягкие материалы. Нередко их устройство в той или иной степени имитирует анатомию человеческой руки. Например, пальцы трехпалого захвата EndoFlex с внутренней стороны покрыты мягким силиконом. Однако для управления манипуляторами такого типа обычно требуются несколько актуаторов и сложные алгоритмы позиционирования, которые позволяют подстраивать пространственное положение пальцев и руки в соответствии формой и положением захватываемого предмета. Кроме это, сила прикладывается к объекту неравномерно и только в точках соприкосновения с пальцами, поэтому ее может оказаться недостаточно для удержания. Манипулятор, разработанный инженерами под руководством Ван Ан Хо (Van Anh Ho) из Японского национального института передовых промышленных наук и технологи, имеет более простую конструкцию и для полноценной работы достаточно только одного актуатора. Принцип его работы напоминает раскрытие цветка розы, поэтому разработчики дали ему название ROSE. Рабочая часть манипулятора представляет собой прочную оболочку из силиконовой резины (первые повреждения на изогнутом краю появились только после 400 тысяч циклов срабатывания), которая образует двустенный стакан. Внешняя часть оболочки прикреплена нижней частью к круглому пластиковому основанию с отверстием в центре, а внутренняя воронкообразная поверхность к вращающемуся цилиндру, вставленному в центральное отверстие основания. При вращении внутренней оболочки относительно внешней происходит сжатие манипулятора. Если при этом во внутренней полости оказывается предмет, то он равномерно обхватывается с боков. Усилие и площадь обхвата можно регулировать с помощью угла закручивания оболочек относительно друг друга, а также нагнетанием давления воздуха в пространство между стенками стакана. Для изучения характеристик манипулятора его присоединили к роборуке UR5. Испытания показали, что захват может выдержать максимальную нагрузку около 328 Ньютон при собственной массе захвата 49 грамм, что дает значение соотношения грузоподъемности к весу примерно 6800 процентов от массы захвата вместе с ротором. Манипулятор может бережно и безопасно обхватывать хрупкие предметы различной формы и размеров не нанося им повреждений. В экспериментах использовались стальные шары, фрукты, клейкая лента, банка с кофе и куриное яйцо, которое захват легко вытащил из миски с оливковым маслом, что довольно трудно осуществить, так как из-за масла яйцо становится скользким. Кроме этого, ROSE может захватывать и сыпучие материалы, например, гравий и гальку. https://www.youtube.com/watch?v=E1wAI09LaoY Инженеры придумали способ, с помощью которого манипулятору можно добавить способность «чувствовать» захватываемый предмет. Для этого они разместили множество небольших меток с внутренней стороны оболочки. Их положение контролируется с помощью компьютерного зрения через три небольшие камеры, закрепленные на пластиковом основании манипулятора. По мнению разработчиков, ROSE мог бы пригодиться в сельском хозяйстве для сбора урожая и не только. В будущем они планируют продолжить работу над математической моделью деформации оболочки при скручивании. Иной тип мягкого манипулятора продемонстрировали инженеры из Австралии. Он способен ухватывать предметы, обвиваясь вокруг них как щупальце осьминога.