Японские инженеры из Токийского университета создали робота-аниматроника по образу одного из персонажей японского анимационного фильма «Судзумэ, закрывающая двери» — они воспроизвели оживший стул без одной ноги. С помощью обучения с подкреплением разработчики научили робота ходить и самостоятельно вставать на ноги из лежачего положения. Препринт доступен на arXiv.org.
Аниматрониками называют роботов, которые имитируют своим внешним видом и движениями живых существ или вымышленных персонажей из художественных произведений. Обычно их используют в киноиндустрии, когда требуется создать реалистичную сцену, или, например, в развлекательных тематических парках для взаимодействия с посетителями. Так, множество подобных роботизированных персонажей разрабатывают в компании Disney. К примеру, недавно там представили нового робота для живых представлений по мотивам «Звездных войн».
Однако иногда аниматроников разрабатывают в исследовательских или образовательных целях. Над одним из таких проектов работают инженеры под руководством Масаюки Инабы (Masayuki Inaba) из Токийского университета. Они вдохновились героем анимационного фильма Макото Синкая «Судзумэ, закрывающая двери» — сломанным стулом, у которого отсутствует одна из четырех ног. По сюжету фильма стул может самостоятельно передвигаться: ходить, бегать, прыгать и самостоятельно вставать на ноги из лежачего положения. По его образу исследователи создали ходячего робота и на его примере изучили особенности генерации походки на трех ассиметрично расположенных ногах.
Инженеры сделали робота максимально простым и использовали наиболее дешевые компоненты, так что их общая стоимость не превышает 60 долларов. Все части корпуса изготовлены с помощью 3D-печати. Спинка стула выполнена в виде каркаса, покрытого прозрачной окрашенной пленкой. Это решение позволяет снизить вес конструкции и упростить балансировку, поскольку тяжелая сплошная конструкция усложнила бы поддержание равновесия несбалансированного робота с ассиметрично расположенными ногами.
Внутри полого сидения располагается вся электроника, включая шесть сервомоторов и плату управления Arduino Nano Every. Ноги робота, имитирующие ножки стула и не имеющие коленных суставов, расположены ассиметрично в трех углах прямоугольного корпуса. Каждая из них приводится в движение двумя сервомоторами, которые соединяются через карданный подвес. Они обеспечивают ногам робостула по две степени свободы и отклонение в пределах 50 градусов от вертикали во всех направлениях.
Управление движением происходит через плату Arduino Nano Every. Она связана с внешним ПК, на который пересылается информация о текущей ориентации корпуса робота, полученную с помощью инерциального измерительного устройства (IMU). Алгоритм на ПК вычисляет новые значения углов сервоприводов, которые затем устанавливаются по команде с платы Arduino.
Разработчики научили робота ходить и самостоятельно подниматься на ноги из лежачего положения. Для этого они использовали два независимых подхода: генерацию движений через соединение позиций и обучение с подкреплением. В первом подходе вручную задаются ключевые позы робота, а для создания плавного перехода между ними используется линейная интерполяция. Для обучения с подкреплением авторы использовали алгоритм оптимизации проксимальной политики (Proximal Policy Optimization), а сам процесс проходил в физическом симуляторе для обучения роботов NVIDIA Isaac Gym.
При испытаниях выяснилось, что, несмотря на асимметричную структуру тела робота, оба метода подходят для создания алгоритмов движений. Однако походка, созданная методом обучения с подкреплением, оказалась более устойчивой по сравнению с методом соединения необходимых поз. Кроме того, алгоритм вставания из лежачего положения, полученный с помощью обучения с подкреплением оказался более адаптивным, так как он учитывал обратную связь от сенсора IMU, благодаря чему робот мог успешно вставать из разных начальных позиций.
Возможно в будущем роботы-аниматроники смогут заменить живых актеров при выполнении опасных трюков в процессе киносъемок. Инженеры из Walt Disney Imagineering уже работают над созданием гуманоидного робота, который будет способен выполнять сложные акробатические прыжки.