В условиях старения нации и высокой стоимости медицинского обслуживания роль домашних помощников становится все более важной.
На рынке существует множество решений, от живых организмов, таких как служебные собаки и обезьяны, до роботов, таких как пылесосы и телеуправляемые стиральные машины.
Однако все эти варианты предлагают лишь частичные решения. Живых помощников можно обучить только выполнению нескольких ключевых задач, и они страдают от неантропоморфности: дом не предназначен для собак или обезьян. Автономные роботы-агенты не могут справиться ни с одним участком дома выше уровня пола.
Это связано, прежде всего, с тем, что сложные задачи (вроде мытья посуды и комплексной уборки) нелегко решать робототехническим системам. Управление в среде обитания человека включает в себя выполнение нескольких сложных подзадач, включая эффективную навигацию и картирование, надежное распознавание объектов и оценку положения, а также сложное планирование траекторий. Более того, все это должно выполняться в неструктурированной и постоянно меняющейся среде.
Каждая из этих подзадач сама по себе является активной областью исследований, и все же все они должны выполняться одновременно для создания системы, способной выполнять даже самые простые манипуляции, такие как перемещение тяжелых предметов или уборка дома.
В последнее время несколько исследовательских групп обратили свое внимание на эту важную область. Так приоритетной задачей многих коммерческих компаний разработка автономной перемещающейся платформы, которая может выполнять сложные манипуляционные задачи в человеческой среде на скорости, подобной скорости человека. Нашей целью являлось создание роботизированной системы, способной надежно и быстро выполнять повседневные задачи дома или в офисе.
С этой целью лаборатория Personal Robotics Lab создала робота HERB (аббревиатура home exploring robotic butler - роботизированный дворецкий, исследующий домашнюю обстановку), который может эффективно картировать, искать и перемещаться по помещениям, распознавать и локализовать несколько общих бытовых объектов, а также выполнять сложные манипуляционные задачи.
В этой статье описываются ключевые компоненты Herb, от его способности искать объекты, различать подвижные и недвижимые элементы в его среде, распознавать и извлекать позу общих объектов, а также понимать и носить с собой ограниченные предметы.
Архитектура робота
HERB – это соединение нескольких сетевых и программных компонентов – компьютеров, датчиков и программ, соединяющихся с ПК.
Программные модули
Высокоуровневый скрипт управляет выполнением задач и исправлением ошибок.
Сначала робот чувствует окружающую среду и посылает в систему планирования статический снимок. Система планирования использует геометрию и кинематику робота для создания глобального плана, который позволяет избежать препятствия. Затем система исполнения пытается следовать этому глобальному плану.
Каждый алгоритм планирования основывается на статическом снимке окружающей среды и использует модель среды, которую можно легко смоделировать. Такие модели обычно включают моделирование кинематики, геометрии, динамических моделей, ограничений задач, ограничений контактов и видимости датчиков. Опираясь на снимок окружающей среды и используя простое моделирование, планировщик может изолировать себя от неопределенностей, присутствующих в процессе измерения и исполнения, тем самым делая проблему планирования более управляемой.
При проектировании архитектуры системы были учтены следующие принципы:
- неограниченная вычислительная мощность
- алгоритмы зондирования и планирования должны требовать минимального участия человека
Планирование манипуляций
HERB предназначен для выполнения манипуляций в домашних условиях. Многие такие манипуляционные задачи предоставляют большую свободу в выборе датчиков, конфигурации рук и местоположения цели объекта.
Например, когда робот берет кофейную кружку и помещает ее в раковину, он может выбрать из широкого диапазона рук (в своем строении) конфигурацию для надежного захвата кружки, а также он видит широкий спектр мест назначения в раковине для размещения кружки.
Хотя начальное и конечное местоположение объектов предоставляет большую степень свободы в конфигурации робота, многие объекты не могут быть перемещены произвольно. Например, если чашка полная (а не пустая), робот не должен наклонять чашку во время перемещения. Такие ограничения на объект ограничивают и допустимые конфигурации робота при перемещении и, таким образом, усложняют задачу планирования пути.
Создание алгоритмов планирования манипуляций для выполнения ограниченных задач также включает вычислительные движения. Например, робот-манипулятор поднимает тяжелый кувшин с молоком, удерживая его в вертикальном положении, что приводит к ограничению положения кувшина, а также к ограничению конфигурации руки в связи с весом кувшина. Как правило, при выполнении ограниченных движений робот не может принимать произвольные конфигурации соединений. Вместо этого робот должен перемещаться в пределах некоторого многообразия, встроенного в конфигурационное пространство, которое удовлетворяет как ограничениям задачи, так и ограничениям механизма.
***
Несмотря на построение надежных алгоритмов, ошибки все же случаются. Робота HERB нельзя назвать полноценным домашним помощником и дворецким (как заложено в его аббревиатуре). Однако на основе его алгоритмов в дальнейшем технические лаборатории действительно могут создать действующего и эффективного робота-ассистента.
