Представьте обычную роботизированную кисть — с пятью пальцами, большим пальцем и привычной для человека формой. Теперь уберите руку, которая обычно держит такую кисть, и оставьте ее лежать на столе. А затем представьте, что она вдруг самостоятельно переворачивается, встает на «пальцы» и начинает ползти.
Именно такую систему создали инженеры из лаборатории мягкой робототехники Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). Исследователи превратили серийную человекоподобную роботизированную кисть в самостоятельного мобильного робота, способного перемещаться по разным поверхностям, восстанавливать равновесие и манипулировать предметами.
Зачем роботу вообще нужна ходячая кисть?
Большинство роботизированных кистей работают в связке с манипулятором. Роботизированная рука подводит кисть к объекту, а пальцы захватывают или перемещают его. Такая схема отлично подходит для производственных линий, но становится неудобной там, где пространство ограничено.
Если же сама кисть способна передвигаться, ей не обязательно постоянно находиться на конце длинной роботизированной руки. Она может самостоятельно добраться до нужного места, а затем использовать пальцы для выполнения работы.
Именно такую концепцию предлагают авторы исследования: мобильная роботизированная кисть потенциально сможет работать в тесных и труднодоступных пространствах, куда обычному манипулятору попасть сложнее.
Почему обычной роботизированной кисти трудно «ходить»
На первый взгляд кажется, что для этого достаточно просто поставить кисть на кончики пальцев и поочередно переставлять их. Но у человеческой руки есть серьезная проблема: пальцы имеют разную длину и форму.
Это удобно при захвате предметов. Большой палец расположен напротив остальных, а остальные пальцы несимметричны. Благодаря этому мы можем удерживать самые разные объекты.
Однако при передвижении такая конструкция превращается в источник нестабильности. Если опереть кисть на пальцы, каждый из них имеет собственный радиус досягаемости. Центр тяжести легко выходит за пределы площади опоры — и робот опрокидывается.
Предыдущие проекты мобильных роботизированных кистей зачастую решали эту проблему довольно радикально: использовали симметричные пальцы, более подходящие для движения, но менее похожие на настоящую человеческую кисть.
Команда под руководством Али Каземипура (Ali Kazemipour) решила сохранить привычную антропоморфную конструкцию и научить ее справляться с собственной асимметрией.
Как научили кисть ходить
Исследователи оснастили коммерческую роботизированную кисть аккумулятором, датчиками движения и небольшим вычислительным компьютером. Все необходимое оборудование разместили непосредственно на тыльной стороне кисти, поэтому робот получил возможность работать автономно.
Но аппаратной части было недостаточно. Робота нужно было научить сохранять равновесие и координировать движения пяти пальцев.
Для этого команда использовала обучение с подкреплением — метод машинного обучения, при котором система постепенно осваивает нужное поведение, получая условные «награды» за успешные действия. Сначала алгоритм тренировался в компьютерном симуляторе, а уже затем полученные навыки перенесли на реальную роботизированную кисть.
Фактически робот учился решать задачу: как переместить пальцы, чтобы изменить положение корпуса, не потерять равновесие и продолжить движение.
Кисть справилась с разными поверхностями
После обучения исследователи испытали робота в реальном мире. Кисть смогла перемещаться по 14 различным поверхностям — от ковра и гравия до травы и металлической решетки.
Еще одним важным испытанием стала способность самостоятельно восстанавливать положение.
В 25 экспериментах робот начинал лежать на одной из сторон. В 21 случае он смог самостоятельно оттолкнуться пальцами, перевернуться и снова принять устойчивое положение.
Для мобильной робототехники это важный навык. Падение для обычной машины на колесах или гусеницах не обязательно означает конец работы — она часто может продолжить движение практически сразу. Для антропоморфной кисти потеря равновесия значительно серьезнее. Поэтому способность самостоятельно подняться расширяет область ее применения.
Робот научился нажимать клавиши
Но инженеры проверяли не только способность кисти ползать.
В одном из экспериментов робот удерживал собственный вес на четырех пальцах, одновременно поднимая пятый палец. Затем он использовал его для нажатия четырех клавиш со стрелками.
Из 32 попыток робот правильно нажал нужную клавишу 29 раз. Это показывает, что пальцы могут использоваться не только как своеобразные «ноги», но и для выполнения манипуляций во время движения.
Получается довольно необычная комбинация: робот одновременно решает задачу поддержания равновесия и выполняет точное действие отдельным пальцем.
И не только ходит — еще и двигает предметы
В другом эксперименте кисть самостоятельно приблизилась к небольшому блоку, после чего толкнула его по поверхности стола.
Исследователи провели 15 таких испытаний. В каждом случае целью было переместить блок в определенное место, и робот смог располагать его примерно в пределах двух сантиметров от заданной точки.
Это уже больше похоже не на необычный эксперимент с «ходящей рукой», а на полноценную задачу мобильной робототехники: робот должен добраться до объекта, сохранить устойчивость, взаимодействовать с ним и изменить его положение.
Что это даст роботам будущего
Главная ценность проекта заключается не в том, что ученые создали эффектную роботизированную «руку из семейки Аддамс». Гораздо важнее сама архитектура.
Если роботизированная кисть получает собственную мобильность, ей больше не обязательно постоянно находиться на конце большого манипулятора. В перспективе такие устройства смогут перемещаться внутри тесных помещений, самостоятельно добираться до объектов и работать с интерфейсами или предметами, рассчитанными на человеческие руки.
Кроме того, исследование демонстрирует интересный путь развития робототехники: вместо создания отдельного механизма для каждой функции можно наделять уже существующие антропоморфные компоненты дополнительными способностями. Одна и та же кисть в таком случае становится одновременно средством передвижения и манипулятором.
Пока речь идет о раннем исследовательском прототипе, а не о готовом универсальном роботе. Однако результаты показывают, что человеческая анатомия, которая долгое время считалась неудобной для мобильности роботов, может стать преимуществом — если научить искусственную руку правильно использовать собственную конструкцию.
