本文核心不雅观点:
1. 麻省理工的研究职员开拓了一套新系统,可以针对各种地形优化机器人的形状;
2. 这个名为 RoboGrammar 的系统事情起来分三个步骤:先定义问题,再拟定可能的办理方案,然后选择最优办理方案。
3. 这个想法来自于其他动物的运动办法,特殊是昆虫、蜘蛛和龙虾等节肢动物。
如果你须要一个会爬楼梯的机器人,它该当是个什么形态?要像人一样有两条腿吗?还是说得像蚂蚁一样有六条腿?
选择精确的形态对机器人能否穿越特定地形至关主要,而要穷极每一种潜在的形态是不可能的。不过现在,麻省理工开拓的系统就可以进行完全仿照,并确定哪种设计最有效。
当然,你首先要见告这个叫做 RoboGrammar 的系统你车间里现在有哪些机器人零件——比如轮子和枢纽关头等,你还得解释白机器人要用在什么地形上。后面就看 RoboGrammar 自行发挥了,它会为你的机器人天生一个优化的构造和掌握程序。
这套系统可以为该领域注入一剂打算机赞助创意源泉。34;机器人设计仍旧是一个手动为主的过程,"麻省理工打算机科学与人工智能实验室(CSAIL)博士生 Allan Zhao 说道。他将 RoboGrammar 描述为一种"新的、更有创造性的机器人设计方法"。
Zhao 是该论文的紧张作者,他将在本月的 SIGGRAPH 亚洲大会上正式揭橥该论文。共同作者包括博士生 Jie Xu、博士后 Mina Konaković-Luković、博士后Josephine Hughes、博士生Andrew Spielberg以及麻省理工教授Daniela Rus 和 Wojciech Matusik。
当你想打造须要穿越各种地形的机器人时,这些动物大概是最佳参照工具。机器人可以适用于险些无穷无尽的任务,然而"它们的整体形状和设计每每都非常相似,"Zhao 阐明道。举例来说,"当你想打造一个须要穿越各种地形的机器人时,肯定第一韶光会跳到四足动物身上(比如狗),"他补充道。"我们在想,这是否真的是最佳设计。"
Zhao 的团队推测,更多的创新设计可以改进功能。于是他们为该任务搭建了一个打算机模型——一个不受之前老例影响的系统。虽然创造性是目标,但 Zhao 必须设定一些基本规则。
机器人的形式"紧张由无意义的设计组成",Zhao 在论文中写道。"如果你能以任意的办法连接各部分,终极只能得到一个大杂烩,"他说道。为了避免这种情形,他的团队开拓了一种"图形语法"——一套关于机器人部件排列的约束条件。例如,相邻的腿该当用枢纽关头连接,而不是再与另一条腿连接。这样的规则确保每一个打算机天生的设计都能正常事情。
Zhao 表示,他的图形语法规则灵感并非来自其他机器人,而是来自动物,尤其是节肢动物,这些无脊椎动物包括昆虫、蜘蛛和龙虾,而节肢动物是一个进化的成功案例,占已知动物种类的 80% 以上。"它们的特点是有一个主体,再合营数量不等的节段。有些节段可能装有腿,"Zhao 阐明道。"而且我们把稳到,这不仅足以描述节肢动物,而且还可以描述更多熟习的形式,"包括四足动物。只管他加了一些机器"装饰",Zhao 还是用节肢动物那里得到的灵感提升了机器人的灵巧性。
想得到最优形态?这三个步骤必不可少利用 Zhao 的图形语法,RoboGrammar 的操作分为以下三个步骤:先定义问题,再拟定可能的办理方案,然后选择最优办理方案。
问题定义紧张落在人类用户身上,他们要输入可用的机器人零部件集,如电机、腿和连接其他部位的节段。"这是确保机器人能够真正在现实天下中被制造出来的关键,"Zhao 说道。用户还得指定须要穿越的各种地形,个中可以包括台阶、平坦区域或湿滑表面等元素的组合。
有了这些输入,RoboGrammar 就会利用图形语法的规则设计出数十万种潜在的机器人构造。有些看起来隐约像一辆赛车,另一些看起来像蜘蛛,或者一个在做俯卧撑的人。"能看到各种各样的设计,对我们来说相称鼓舞民气,"Zhao 说道。"它显示了图形语法强大的表现力。"不过,虽然图形语法在数量上不是问题,但它的设计并不总能达到最佳质量。
选择最佳的机器人设计须要掌握每个机器人的动作并评估其功能。"到目前为止,设计出的机器人还只是构造,"Zhao 说道。而掌握器是将这些构造变为现实的一组指令,它会管理机器人各种电机的运动顺序。该团队为每个机器人开拓了一个掌握器,并用到了一种名为"模型预测掌握"的算法,该算法会优先考虑快速提高运动。
"机器人的形状和掌握器深深地交织在一起,"Zhao 阐明道,"这便是我们为每一个给定的机器人单独优化掌握器的缘故原由。"一旦每个仿照机器人都得到自由移动能力,研究职员就会通过"图形启示式搜索"来探求性能精良的机器人。这种神经网络算法会反复对机器人集进行采样和评估,它可以学习哪些设计能更好地实行任务。"启示式函数会随着韶光的推移而改进,"Zhao 说道,"搜索会将我们指向最佳机器人。"
设计师还没拿起螺丝呢,系统就把事情完成了
哥伦比亚大学机器工程师与打算机科学家 Hod Lipson(他并没有参与这个项目)表示:"这项事情是 25 年来探索自动设计机器人形态和掌握的最高造诣之一。利用图形语法的想法已经有一段韶光了,但没有人将这个想法实行得如此俊秀。一旦我们能让机器自动设计、制作和编程机器人,统统都不一样了。"
Zhao 将该系统看作人类创造力的火花。他将 RoboGrammar 描述为 "专为机器人设计师准备的工具,能扩展他们所利用机器人构造的空间"。为了展示其可行性,他的团队操持在现实天下中建造和测试一些 RoboGrammar 选出的最佳机器人。Zhao 还补充称,该系统可以被改造成追求地形穿越以外目标的机器人,而且他说 RoboGrammar 可以帮助添补虚拟天下。"比方说,在一个视频游戏中,你想天生很多种类的机器人,这时就不须要艺术家去创造每一个机器人了,"Zhao 说道。"RoboGrammar 立时就能拿出办理方案。"
这个项目有没有什么出人意料的成果?"大多数设计末了确实是四条腿的,"Zhao 说道。大概机器人设计师一贯以来方向于四足动物是对的。"大概这样真的是有什么意义吧。"
参考来源:https://www.weforum.org/agenda/2020/12/computer-aided-robot-design-shape-terrain/
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