Этой бесплотной кисти хватает, чтобы заменить целого робота

Как устроена роботизированная кисть

Для большинства людей кисть соединена с рукой, но роботам это не обязательно. Команда ETH Zurich сделала из готовой роботизированной кисти автономное устройство: оно ходит на кончиках пальцев и теми же пальцами манипулирует предметами.

Кисть может пригодиться при тонких работах по обслуживанию промышленного оборудования и при поисково-спасательных операциях. Робот сможет отсоединить её и отправить исследовать узкое пространство, куда не помещается остальная конструкция. Руководивший проектом Амирхоссейн Каземипур, аспирант лаборатории мягкой робототехники ETH Zurich в Швейцарии, рассматривает эту работу как шаг к роботам, чьи части тела не ограничены одной функцией.

«Я хотел понять, на что способна роботизированная кисть без остального робота», — рассказал Каземипур IEEE Spectrum. Он предложил отойти от привычного представления о назначении роботизированных деталей и выяснить, можно ли использовать их для задач, для которых они изначально не предназначались.

Попытки заставить роботизированную кисть ходить предпринимались и раньше, но обычно для этого создавали специальные конструкции. Команда ETH взяла готовую кисть Wuji Technology и дополнила её рюкзаком весом 80 граммов. Внутри находятся батарея, инерциальный измерительный блок (IMU) и Raspberry Pi Zero.

Каземипур объясняет выбор серийной кисти тем, что команда не хотела жертвовать её способностью манипулировать предметами. Это усложнило задачу: форма кисти приспособлена для захвата, а не для ползания.

Как кисть научили ходить

Исследователи обучили модель в симуляции с помощью обучения с подкреплением. При таком подходе модель осваивает навык через многократные пробы и ошибки: получает награды за приближение к нужному поведению и штрафы за отклонения.

Необычная геометрия кисти не позволила просто перенести на неё методы обучения, которые применяют к другим шагающим роботам, отмечает Каземипур. У стандартных четвероногих и двуногих роботов левая и правая стороны обычно симметричны, что упрощает ходьбу и удержание равновесия. У кисти пальцы разной длины, а большой палец противопоставлен остальным, поэтому симметрии нет.

Модель получала награды за движение с нужной скоростью и в правильном направлении. Её также штрафовали за раскачивание и резкие движения. Чтобы во время обучения кисть сохраняла позу для ползания, команда задала каждому пальцу собственное целевое положение относительно ладони — в зависимости от того, где палец естественно находится в такой позе. За слишком сильное отклонение от цели пальцы получали штрафы. Так исследователи создали «виртуальные пружины», возвращающие их в положение для ползания.

Штрафы за движение пальцев вперёд и назад сделали намного меньше, чем за движение из стороны в сторону. Поэтому шаги почти не обходились кисти в обучении, тогда как движение в заданном направлении приносило награду.

Отдельные модели команда обучила для четырёх навыков: ходьбы, возвращения в исходное положение после падения, нажатия клавиш на клавиатуре и толкания предметов к цели. По словам Каземипура, все четыре модели помещаются на бортовом компьютере, а система управления переключается между ними по необходимости.

В испытаниях кисть проползла по 14 видам поверхностей, включая гладкий пол, металлическую решётку, траву и гравий. Она умела поворачивать и направо, и налево, а её средняя скорость составила 9 сантиметров в секунду. После падения кисть самостоятельно вставала в 21 случае из 25.

Получая видео с камеры над испытательной площадкой, кисть смогла без помощи человека толкать куб весом 41 грамм к цели на расстоянии до 40 сантиметров. Ей удалось повторить это 15 раз подряд.

Масахико Инами, профессор Токийского университета, чья группа разрабатывала шагающих роботов в форме кисти, отмечает, что одни и те же пальцы могут передвигать робота, поддерживать его вес и взаимодействовать с окружающей средой. По его мнению, мобильная кисть пригодится для работы в тесных пространствах и управления элементами, до которых трудно добраться всей роботизированной рукой. Для практического применения, добавляет Инами, потребуются бортовая система восприятия и более надёжная навигация.

Хидеки Симобаяси, аспирант лаборатории Инами, указывает на ещё одну проблему: при ходьбе кисть испытывает нагрузки, сильно отличающиеся от нагрузок при захвате предметов. Поэтому её долговечность может оказаться ограниченной.

Матею Чокарли, доцент кафедры машиностроения Колумбийского университета, считает результат интересным: он показывает, что возможности роботизированных кистей не обязательно должны совпадать с возможностями человеческой руки. По его словам, можно представить новый класс мобильных манипуляторов, которые одновременно умеют работать с мелкими предметами, передвигаться по сложному рельефу и манипулировать грузами, сопоставимыми с ними самими по размеру.

Каземипур видит в этой работе часть долгосрочного замысла: создавать роботов из компонентов, не привязанных к одной задаче или даже к одному способу сборки. Он называет эту идею «автономными модульными воплощениями». Роботизированные части тела, по его словам, не должны навсегда закрепляться за одной функцией: в зависимости от задачи они могут менять роль — переходить из частей одной роботизированной системы в автономных роботов.