Он рулит двумя руками, распознает пешеходов и умеет пользоваться зеркалами
Японские инженеры научили робота Musashi с мускульно-скелетной конструкцией тела управлять одноместным автомобилем. Робот, сидящий в водительском кресле без каких-либо дополнительных удерживающих приспособлений, смог управлять направлением движения автомобиля, вращая рулевое колесо двумя руками, нажимать на педали газа и тормоза, разгоняясь до заданной скорости и тормозя при появлении пешеходов и других автомобилей. Также робот продемонстрировал способность реагировать на сигналы светофора и различать звуковые сигналы других автомобилей. Препринт опубликован на сайте arXiv.org.
Автономное вождение обычно ассоциируют с беспилотными автомобилями. Благодаря сложным системам датчиков, лидарам, камерам и мощными процессорам, они способны самостоятельно прокладывать путь в быстро меняющихся дорожных условиях. Многие компании уже разрабатывают такие автомобили, а некоторые из них даже допущены до коммерческой эксплуатации на дорогах общего пользования.
Однако существует и альтернативный подход к автономному вождению, который предполагает использование человекоподобных роботов-водителей, способных управлять обычными автомобилями, используя стандартные органы управления (руль и педали). Этот подход имеет ряд преимуществ, поскольку роботы-гуманоиды потенциально могут не только водить машину, но также выполнять множество других задач в самых разных ситуациях: к примеру, переносить тяжелые предметы, выполнять работу по дому, помогать пожилым людям, или участвовать в ликвидации последствий стихийных бедствий.
Японские инженеры под руководством Масаюки Инабы (Masayuki Inaba) из Токийского университета уже несколько лет занимаются разработкой мускульно-скелетных человекоподобных роботов. От роботов-гуманоидов с жесткой конструкцией тела они отличаются тем, что вместо традиционных электродвигателей в суставах используют искусственные мышцы — системы тросов и шкивов, которые приводятся в движение с помощью электромоторов. Такая конструкция обеспечивает более плавные и естественные движения, приближенные к движениям человека, а также позволяет сделать тело робота более гибким и адаптивным. Одного из таких роботов под названием Musashi разработчики уже некоторое время пытаются обучить вождению автомобиля. Недавно они опубликовали статью, в которой рассказали о достигнутых результатах.
Скелет робота Musashi состоит из легких и прочных «костей», соединенных 39 суставами (без учета кистей рук). Конструкция суставов модульная, что позволяет легко изменять конфигурацию робота в зависимости от выполняемой задачи. В движение конечности приводят 74 искусственные мышцы, изготовленные из синтетических нитей. Каждая мышца представляет собой отдельный модуль, состоящий из электродвигателя, системы блоков и тросов, а также датчиков натяжения и температуры. Модули могут крепиться к основному скелету, либо могут сами выполнять роль несущих элементов. На концах мышечных нитей установлены эластичные элементы в виде резиновых колец. Они обеспечивают дополнительную гибкость и податливость конструкции и позволяют роботу лучше адаптироваться при контакте с окружающими предметами, например, при нажатии на педали или удержании руля. Голова Musashi оснащена двумя подвижными глазами с встроенными в них камерами высокого разрешения, обеспечивающими широкий угол обзора. Благодаря подвижным глазам, робот может, например, пользоваться штатными боковыми зеркалами заднего вида, чтобы контролировать дорожную ситуацию вокруг автомобиля так же, как это делают люди.
На концах рук робота установлены пятипалые кисти с пальцами с переменной жесткостью, что позволяет Musashi выполнять различные типы хватов. На ладонях и кончиках пальцев установлены датчики силы, которые обеспечивают обратную связь при взаимодействии с предметами. Робот может вращать руль двумя руками, пользоваться ручным тормозом, поворачивать ключ зажигания и переключать указатель поворота. Ступни также имеют встроенные датчики силы в носке и пятке.
Для управления автомобилем Musashi использует комбинацию нескольких алгоритмов. Для небыстрых действий, таких как поворот руля последовательной перестановкой рук, применяется алгоритм статического управления, обеспечивающий управление углами суставов и мышечным напряжением в спокойных условиях. Для более динамичных действий, таких как нажатие на педали, используется другой нейросетевой алгоритм, который предварительно был обучен на данных, полученных в ходе экспериментов с хаотичным нажатием на педали. Алгоритм рефлексов позволяет Musashi избегать слишком большого натяжения и перегрева мышц, а система распознавания изображений и звука отвечает за реакцию робота на внешние сигналы: пешеходы, светофоры и другие автомобили.
Инженеры провели ряд экспериментов, в которых Musashi смог успешно выполнить несколько задач по вождению. В качестве транспортного средства был выбран компактный одноместный микроэлектромобиль Toyota COMS, органы управления которого не были подвергнуты модификации. В ходе испытаний робот, сидящий на месте водителя, смог управлять рулем двумя руками, нажимать ногами на педали, пытаясь поддерживать заданную скорость (не более пяти километров в час), и тормозить при возникновении препятствий на пути. Ответственная за их обнаружение система распознавания успешно определяла пешеходов, другие автомобили, сигналы светофора, а также реагировала на звуковой сигнал автомобиля.
В будущем инженеры планируют научить робота самостоятельно садиться в автомобиль, определять его текущую позицию с помощью алгоритма SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) и самостоятельно строить маршрут. Кроме того, планируется улучшить аппаратное обеспечение, например, добавить суставы лопаток для расширения диапазона движений и использовать более гладкое внешнее покрытие, похожее на кожу.
Автомобиль — не единственное средство передвижения, которым умеют пользоваться мускульно-скелетные роботы из лаборатории Масаюки Инабы. Одну из модификаций робота Musashi, например, инженеры обучили кататься на офисном стуле.