Динамическая синхронизация движения двустворчатого робота и оператора
Несмотря на значительный прогресс в области искусственного интеллекта, автономные гуманоидные роботы все еще далеки от соответствия уровня манипулирования человеком и уровня владения локомотивом в реальных приложениях. Опытные роботы были бы идеальными помощниками в случае возникновения опасных ситуаций, таких как стихийные бедствия или антропогенные катастрофы.
При работе в таких ситуациях роботы должны быть способны ориентироваться на сильно неструктурированную местность и ловко взаимодействовать с объектами, предназначенными для человеческих работников.
Для создания гуманоидных машин с двигательными навыками на уровне человека, в этой работе мы используем телеоперацию всего тела, чтобы использовать человеческий интеллект для управления движением двустворчатого робота. Задача этой стратегии заключается в правильном отображении движения человеческого тела на машине и одновременном информировании оператора о том, насколько точно робот воспроизводит это движение.
Поэтому учёные предлагают решение для этой двусторонней политики обратной связи - управление двустворчатым роботом для принятия мер, прыжков и ходьбы синхронно с оператором. Такая динамическая синхронизация была достигнута путем (i) масштабирования основных компонентов данных человеческой локомоции до пропорций роботов в реальном времени и (ii) применения к оператору сил обратной связи, пропорциональных относительной скорости между человеком и роботом.
Человеческое движение ускорялось, чтобы соответствовать более быстрому роботу, или генерировалось перетаскивание для синхронизации оператора с более медленным роботом. Здесь испытатели сосредоточились на динамике фронтальной плоскости и стабилизировали робота в сагиттальной плоскости с помощью внешнего портала.
Эти результаты представляют собой фундаментальное решение, позволяющее безупречно сочетать врожденные навыки управления двигателем с физической выносливостью и силой гуманоидных роботов.
Мотивация
Современные гуманоидные роботы все еще не могут соответствовать уровню сложности и адаптируемости врожденного интеллекта управления двигателем человека. Роботизированный аварийно-спасательный механизм с возможностями передвижения и манипулирования, аналогичный среднестатистическому человеку, мог бы стать ценным инструментом для полевых применений.
Если бы эта технология была доступна еще в марте 2011 года, катастрофические последствия аварии на атомной электростанции "Фукусима-1" можно было бы в значительной степени смягчить.
По оценкам, если бы ликвидатор смог выдержать смертоносные уровни радиации и попасть на объект в течение первых 24 часов после сбоя системы охлаждения, первый ядерный реактор мог бы быть стабилизировать.
Однако в то время ни один робот не обладал способностью самостоятельно передвигаться или манипулировать неструктурированной поверхностью и активно взаимодействовать с окружающей средой, открывая пружинные двери, выталкивая мусор, управляя клапанами или используя инструменты, предназначенные для работы с людьми.
Даже до сих пор, в эпоху искусственного интеллекта, программирование автономного робота для достижения человеческого восприятия и управления двигателем в реальных условиях является чрезвычайно сложной задачей и еще не продемонстрирована.
Гуманоидные роботы представляют собой чрезвычайно сложные системы, которые перемещаются путем приложения прерывистых усилий к окружающей среде с использованием контактных последовательностей, которые должны быть заранее спланированы с использованием воспринимаемых опорных точек. Эти силы взаимодействия часто имеют нетривиальные ограничения односторонности (стопы не могут тянуть за землю) и подвержены с трудом поддающимся моделированию трением и динамике удара.
Кроме того, ловкая манипуляция требует совершенно иного уровня регулирования контакта, сочетающего зрительное, тактильное и проприоцептивное восприятие с пониманием работы обрабатываемого объекта. Контроллер для автономного робота должен генерировать траектории всего тела, которые подвержены всем этим вызовам, регулируя баланс, импульс тела, координацию между подъемами, срабатывание и пределы суставов, самоколлизии, внешние помехи и саму физическую задачу.
Надежное достижение такого уровня сложности управления в реальных приложениях до сих пор остается открытой проблемой в робототехнике. С другой стороны, люди постоянно решают эти проблемы, постоянно учась приспосабливаться к незнакомым сценариям.
Ученые предполагают, что этот уникальный человеческий талант может быть передан удаленному роботу посредством телеопераций с целым телом. Используя движение тела человека-оператора для управления гуманоидом в режиме реального времени, машина становится равноценным, но расходуемым средством быстрого реагирования на опасные ситуации или удаленные районы.
Это решение сочетает в себе интеллектуальные возможности управления двигателем человека с физической прочностью и удельной мощностью роботов. Основной задачей является эффективное отображение движения человеческого тела к роботу и интуитивное информирование оператора о том, насколько близко робот воспроизводит желаемое движение.
Проделанная работа
Переориентация движения с человека на ножные машины или анимированных персонажей уже много лет является активной темой исследований в области робототехники, биомеханики и компьютерной графики. Часто при автономной переориентации кинематические данные оператора, такие как углы стыка и траектория центра массы (ЦМ), измеряются системой захвата движения, а динамические данные, такие как силы прикосновения к земле, оцениваются силовой пластиной. Прежде чем цель сможет воспроизвести движение, данные изменяются с учетом физической структуры, динамических характеристик и ограничений робота (или его характера). Часто этот процесс выполняется оптимизатором, который аппроксимирует движения цели относительно исходных данных, сохраняя при этом стабильность балансировки или нюансы движения символа.
Эта процедура не чувствительна ко времени, поскольку выполняется в автономном режиме; таким образом, сложная траектория движения всего тела может быть значительно уточнена и полученная опорная точка перемещения может быть значительно оптимизирована. Напротив, онлайновое перенаправление движения или телеоперация всего тела должны обеспечивать реальную ссылку на роботизированную систему в режиме реального времени, что делает интенсивное планирование вычислений запретительным.
В большинстве исследований телеопераций всего тела устойчивость балансировки робота регулируется с помощью модели уменьшенного порядка, которая направляет отображение движения от человека-оператора к роботу.
Эта модель намного проще, чем динамика всего тела, но способна фиксировать фундаментальные свойства движения, которое наносится на карту. Например, в работе Ishiguro et al. эталонное движение робота получено путем модификации человеческого эталона с использованием соображений стабильности из уменьшенной модели, что позволяет роботу безопасно ходить. Однако человек и машина двигаются асинхронно, поскольку оператор не получает кинестетической обратной связи относительно относительного движения робота. Этот односторонний информационный поток является общей характеристикой всех этих исследований.
Оператор приказывает роботу двигаться собственным телом, но не получает никакой физической информации, когда робот отстает, возмущается или прилагает усилия к окружающей среде.
Однако есть исследователи, утверждающие, что при динамическом взаимодействии с окружающей средой человек в значительной степени зависит от силы обратной связи от своих двигательных действий. Они используют эту кинестетическую обратную связь, чтобы научиться справляться с добавленной динамикой и создать мышечную память для повторяющегося поведения.
Например, если пожарный использует все тело для толчка тяжелой двери, то последующее движение будет совершенно иным, если дверь окажется запертой или если ее можно будет свободно открыть.
Следуя этой логике, телеуправляемый робот-ответчик должен предоставить оператору физическую обратную связь о своих действиях, чтобы он мог интуитивно и эффективно планировать движение, используя врожденный интеллектуальный потенциал двигателя.
Таким образом, односторонние стратегии телеопераций вряд ли будут успешными в непредсказуемых реальных сценариях, если только робот не обладает нетривиальной степенью автономии для перезаписи неосуществимых или ошибочных команд. Однако, насколько нам известно, в очень немногих исследованиях в литературе оператор получал кинестетическую обратную связь от движения машины во время телеопераций.
Аналогичная стратегия с использованием вибротактильной обратной связи также была принята. Однако в обоих исследованиях машина может выполнять только медленные движения на ровной поверхности, и неясно, как распространить эти стратегии на подвижные движения, такие как ходьба или прыжки, ограничивая их полезность для реальных приложений.
Напротив, динамическая телеоперация с двусторонней обратной связью роботизированных манипуляторов является хорошо изученной темой исследований.
Но манипуляторы с фиксированной базой могут прилагать к окружающей среде произвольно большие усилия, не регулируя баланс и ступенчатую установку, в отличие от тяжеловесных и мобильных гуманоидных роботов.
Таким образом, существующие двусторонние стратегии обратной связи, используемые для манипуляторов роботов, не применимы непосредственно к телеоперациям с подвешенными роботами в целом.
Над решением этих исследовательских задач в данное время работают учёные.