人機協作新突破!這家日本公司教會了機器臂抖空竹,還能和人類打配合

一大早,公園裡就熱鬧了起來,大爺們雙手握桿抖動空竹,做出各種花樣技巧,引得旁人駐足觀看。

這樣的場景大多數人應該都不陌生。

早在我國明清時期,抖空竹這項運動就開始興起、盛行,2006 年 5 月 20 日,空竹更是被國務院批准列入第一批國家級非物質文化遺產名錄。

作為一項典型的基礎性節律運動,抖空竹可以活動到身體很多部位、預防肩周炎等疾病,還能顯著提高新陳代謝,有助於身體健康。

網絡上流傳着不少抖空竹入門視頻,很多人表示抖空竹是個技術活,想輕鬆自如地抖空竹並沒有想象中那麼容易,那麼問題來了:轉眼 2020 年就快結束了,大家都說科技發展得很快,那機械人會抖空竹嗎?

您別說,還真會!

腦洞從何而來?

這裡有視頻截圖為證:兩條機械臂正在抖空竹。

甚至,人機還能打配合,一起炫技。

其實,這一腦洞來自一家位於日本東京的公司 OMRON SINIC X。

OMRON SINIC X 是總部位於日本京都的知名自動化控制及電子設備製造廠商歐姆龍集團(OMRON Corporation)於 2018 年成立的子公司,其設立的主要目的就在於「近未來設計」——根據其官網介紹,OMRON SINIC X 致力於進行機械人技術、計算機視覺、機器學習和人機交互等領域的前沿研究。

作為歐姆龍集團的一個戰略據點,OMRON SINIC X 聘用了多個領域的傑出人才,包括人工智能、機械人、物聯網、製造業和金融業等,同時還與高校、科研機構有着密切的合作,旨在重點解決四個領域的社會問題:工廠自動化、醫療、機動、能源管理。

說到這裡,就不得不提一下歐姆龍集團在機械人領域的高光時刻——2016 年 9 月 8 日,歐姆龍在官網上宣布,他們開發的能持續與人類進行乒乓球對打的機械人 Forpheus 被吉尼斯世界紀錄認定為世界上首台乒乓球教練機械人。

那麼這次為何要嘗試讓機械人抖空竹呢?

研究人員表示,他們的目標在於推進機械人精細控制和人機協作。

對於機械人來說,抖空竹可以說是一個挑戰遞增、激勵不斷的絕佳學習過程,可惜類似的模型目前還未被設計出來。

如果用真正的機器臂來訓練,成本會很高,而且這樣的高加速度任務(抖空竹主要是靠慣性)操作起來的確有一定危險性。

基於上述想法,研究人員做出了一個空竹模型(diabolo model),由此,機械人也能抖空竹了。

模型如何構建?

具體過程如何,我們可以在 OMRON SINIC X 發表於預印本平台 arXiv 的一篇論文中找到答案。

論文題為 An analytical diabolo model for robotic learning and control(機械人學習並控制的空竹分析模型)。

首先,研究人員推導出了一個空竹-繩子系統的分析模型。

抖空竹,核心在於繩子,要模擬繩子並不容易,原因在於——其摩擦力取決於許多難以甚至不可能測量出來的參數,而且空竹本身和繩子之間的相互作用也是十分靈活、非線性的。

因此,模型簡化了抖空竹原本的複雜動作,用一個橢圓來表示繩子的軌跡,用以計算力與運動。

如下圖所示,兩根小棒的頂端恰好是橢圓的焦點。當然這只是平面圖,三維空間中,橢圓形就成了橢球體。

研究人員假設了空竹不同的幾種狀態,比如:

  • 繩子緊繃狀態:空竹在橢圓以內運動。

  • 繩子鬆弛狀態:空竹的中間部分安全地卡在繩子上。

  • 空竹飛行狀態:空竹在橢圓以外運動。

為確保模型的準確性,研究人員通過記錄人們花式抖空竹的過程,形成了一個數據集,將這一數據集和模型進行對比。結果表明,不論是精度還是物理一致性,模型的表現都超過了基於深度學習的預測器。 

接着,研究人員描述了一種基於最優控制的方法「基於模型的預測控制」(Model-based Predictive Control,MPC)。

這一方法以空竹的速度和位置作為輸入,通過優化其中一根小棒的運動軌跡,預測兩根小棒頂端的運動軌跡,來生成機械人抖空竹的軌跡,讓機械人解鎖更多花式玩法。

具體到下圖:

  • 黃色線條代表預測的空竹軌跡;

  • 綠色線條代表目標狀態;

  • 白色線條代表下一次軌跡出現前的預測;

  • 紅色、藍色線條代表兩根小棒頂端的軌跡;

  • 透明紅色區域代表實際三維情境中形成的橢球體軌跡。

最後,研究人員在真實的機械人系統上進行測試,實現了人機共抖空竹的結果。

研究人員表示,希望這項研究能對機械人技術起到推動作用,激勵機械人學習方面湧現出更多想法。

值得一提的是,OMRON SINIC X 官方表示準備發佈仿真模型、數據集和控制算法,作為獨立模塊和 Gazebo 插件供大家學習,感興趣的小夥伴們可以保持關注。

引用來源:

https://www.omron.com/sinicx/

https://arxiv.org/pdf/2011.09068.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=oS-9mCfKIeY

https://www.bilibili.com/video/BV18t411V7QQ?from=search&seid=1725424399981005198

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