И контролировать температуру моторов под костюмом снеговика
Инженеры из исследовательского подразделения Disney Research и ETH Zurich разработали робота-аниматроника, который выглядит и двигается, как снеговик Олаф из мультфильма «Холодное сердце». Робот под управлением нейросетевого алгоритма может точно воспроизводить движения и позы мультипликационного персонажа, ходит практически бесшумно, а его скрытые под костюмом приводы не перегреваются в условиях слабого отведения тепла. Препринт доступен на arXiv.org.
Роботов, которые имитируют своим внешним видом и движениями живых существ или вымышленных персонажей из художественных произведений, называют аниматрониками. Обычно их используют в киноиндустрии и развлекательных тематических парках. Поэтому на первый план выходит не столько функциональность, сколько убедительность — такой робот должен в точности соответствовать своему экранному прообразу, чтобы вызвать эмоциональный отклик у зрителя. Большой опыт в создании подобных роботов имеет компания Disney — например, в 2023 году она представила робота для живых представлений по мотивам «Звездных войн».
Теперь разработчики из подразделения Disney Research создали аниматроника, имитирующего антропоморфного снеговика по имени Олаф — персонажа из мультфильма «Холодное сердце». Конструкция робота высотой около 89 сантиметров и массой почти 15 килограмм насчитывает 25 степеней свободы, включая подвижные глаза, брови и челюсть. Экранный прообраз имеет весьма необычные пропорции тела: у него огромная голова, очень тонкая шея и небольшие ноги-снежки. Они не имеют видимых суставов и просто «плавают» под телом. Чтобы ноги робота смогли уместиться под юбкой костюма, разработчики сделали их асимметричными. Коленные суставы и бедра инвертированы друг относительно друга для предотвращения столкновения во время ходьбы. Руки и детали лица приводятся в движение через систему тяг. Это позволило вынести тяжелые приводы из тонких рук и шеи в торс.
Система управления разделена на два уровня. Скелетом робота (ноги плюс шея) управляет нейросетевой алгоритм на основе обучения с подкреплением. Он отвечает за походку и удержание равновесия. Руки, глаза и рот управляются отдельно с помощью обычных методов (PID-регуляторы), так как имеют малую инерцию и почти не влияют на равновесие робота. Для обучения походке инженеры использовали алгоритм проксимальной оптимизации политики (PPO). Нейросетевой агент тренировался в симуляторе Isaac Sim в течение двух суток на видеокарте NVIDIA RTX 4090. В качестве входных данных система получает показания IMU-сенсора, углы поворота суставов и их температуру.
Основная часть функции вознаграждения отвечает за точное подражание анимационным референсам. Кроме этого, авторы добавили в расчет штраф за слишком шумные шаги, заставляя робота ставить ноги более аккуратно. Это снизило средний уровень шума при ходьбе на 13,5 децибела. Еще одним важным дополнением стала политика управления, учитывающая плохой отвод тепла от приводов под костюмом. Робот научился менять позу и интенсивность движений, если датчики фиксируют критический нагрев моторов в шее.
Руки и нос персонажа крепятся к телу с помощью мощных магнитов. В случае падения или столкновения эти детали просто отлетают, предотвращая серьезную поломку внутренних механизмов. Робот поддерживает два режима: ходьбу со скоростью до 40 сантиметров в секунду и стояние. Система управления допускает ошибку в положении суставов не более четырех градусов, а робот успешно имитирует характерную походку снеговика Олафа.
Иногда аниматроников создают исключительно в исследовательских целях. Например, в 2024 году японские инженеры создали трехногий робостул — аниматроника, имитирующего персонажа фильма «Судзумэ, закрывающая двери».