Четвероногий робот приземлился на лапы подобно коту
Французские инженеры попытались решить задачу кота, падающего четвероногого робота Mini Cheetah и помогли ему приземлиться на ноги при падении с трехметровой высоты.
Для этого работа обули в напечатанные на 3D-принтере сапоги, которые наполнили пяти центовыми монетами. Как научить робота падать на ноги независимо от ориентации тела относительно земли, ученые рассказали в статье, опубликованной на сервисе препринтов arXiv. Способность кошек (а также белок) как бы вопреки физике всегда приземляться на лапы независимо от своего первоначального положения чрезвычайно захватывает ученых. Задачу кота, который падает (falling cat problem) удалось решить с появлением фотографии. Выяснилось, что если посмотреть на животное как на систему из двух связанных между собой цилиндров, один из которых моделирует переднюю половину тела кошки, а другой — заднюю, то феномен ее падения можно объяснить с точки зрения динамики. В статье 1968 года «Объяснение феномена падения кота с точки зрения динамики», пара американских физиков при поддержке NASA объяснили: тело кошки сгибается в разные стороны. В начале падения, когда кошка поднимает лапы вверх, ее передние лапы приближаются к задним, затем она сгибается в боковом направлении, изгибается назад, а затем снова выгибается вперед так, что переворачивается лапами вниз и готова приземлится.
Наделение роботов принципами, которыми пользуются животные, может очень облегчить работу, ведь в частности коты, уже имеют готовые решения для проблем, с которыми сталкивается робототехника. Разработчики четвероногих роботов наделили их эффективными алгоритмами по управлению конечностями, благодаря чему те способны легко обходить людей и препятствия в парках, преодолевать смазанный маслом пол и даже держать винтовку. В целом они умеют оправляться от падения — не зря инженеры постоянно пытаются достать их клюшкой или ногой. Четвероногие Mini Cheetah также умеют самостоятельно вставать на ноги, отталкиваясь коленом. В новой работе инженеры университета Нотр Дам задались целью — поставить работа на ноги после падения с высоты.
В Mini Cheetah форуме гибкого позвоночника, поэтому прямое копирование кошки невозможно. Чтобы решить с земным притяжением, ему нужно научиться более резких движений, а следовательно инженерам нужно наделить его искусственным интеллектом, который помог бы оптимизировать их и направлял Mini Cheetah. Ведь хотя алгоритмы оптимизации траектории становятся все лучше и лучше, они все еще недостаточно быстры, чтобы найти решение с нуля за доли секунды между моментом, когда робот чувствует падения, и тем, когда ему нужно начать движение для приземления на ноги. Чтобы обойти эту проблему, оптимизацию траектории поручили искусственному интеллекту, который приобрел опыт непосредственно в падениях. Четвероногий пережил множество падений в симуляциях, пока нейросеть не начала рефлективного подстраивать его движение — автоматически реагировать сразу как только робот чувствовал, что падает. Благодаря тому, что алгоритм запоминал движения, которые понадобились работу, чтобы стать ровно на ноги после падения, он принимал решение для безопасного приземления всего за половину секунды, переворачивая робота в воздухе на 90 градусов.
Впрочем, ноги Mini Cheetah были специально разработаны, чтобы быть очень легкими, поэтому их перемещения вместе с роботом в воздухе не особо меняет распределение массы, которое нужно для успешного приземления. Так робот обзавелся печатным на 3D-принтере обувью, который ученые заполнили пяти центовыми монетами — примерно по 500 граммов на каждую ногу.
Свой режим кошки, падающей робот включает сразу как начинает собственное падать (не без помощи инженера по лестнице). Mini Cheetah проявляет себя в падении как только его гиростабилизатор улавливает ускорение свободного падения — 9,8 метра в секунду квадратную — в течение 30 миллисекунд. Как только это происходит, Mini Cheetah передается в управление своей рефлекторной нейросети, которая уже за пол секунды продумала ему траекторию правильного падения, оценив положение робота. Так с помощью стандартного контроллера баланса Mini Cheetah и приземляется в безопасном для себя положении. Этот контроллер следит, чтобы ноги Mini Cheetah не создавали лишних движений, сбили бы все настройки для приземления еще до того, как робот достиг земли. Все это помогло работу пережить падение с трехметровой высоты лестницы, с которой его за ноги сбросили разработчики.
По их словам, пока успех в приземлении подопечному возможно обеспечить только если сбрасывать его с лестницы под углом 90 градусов и с достаточной высоты. Важно отметить, что котам нет разницы, из какого положения они будут падать (хотя бы лапами вверх), а также требуют гораздо меньшей высоты, чтобы переориентироваться. Впрочем, Mini Cheetah труднее кошки, особенно с ботинками, поэтому для его поворота на 90 градусов нужна работа на пределе крутящего момента. Также в создаваемых нейросетью траекториях учитывается только переориентация в полете, а не фаза контакта с землей. Например, сейчас робот бился о коврик ногами, а затем подпрыгивал и приземлялся на спину. Но это можно смягчить, используя стратегии оптимизации траектории с учетом контакта. Все это инженеры планируют учесть в следующих разработках, а пока эта работа доказывает, что так называемые рефлективные алгоритмы превосходят заранее продуманные последовательности действий по крайней мере для коротких и высоко динамичных траекторий.
Перевод материала nauka.ua