Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали компактного человекоподобного робота PhoneBot, который использует обычный смартфон в качестве вычислительного центра, системы зрения и источника данных о собственном движении. Проект позволяет существенно снизить стоимость разработки шагающих роботов и даёт старым телефонам вторую жизнь.
Разработкой занималась команда Лаборатории робототехники и механизмов (RoMeLa). В отличие от многих исследовательских гуманоидов, которым требуются отдельные камеры, датчики, вычислительные модули и сложная проводка, PhoneBot использует возможности смартфона. По сути, телефон становится центральным элементом роботизированной системы, а механическое тело обеспечивает передвижение.
Как устроен PhoneBot
Робот имеет высоту 48,3 см и весит около 1,8 кг вместе со смартфоном и аккумулятором. Его конструкция включает 13 недорогих сервоприводов: по шесть на каждую ногу и ещё один, позволяющий поворачивать верхнюю часть корпуса.
Последняя особенность особенно полезна при взаимодействии с человеком. Робот может поворачивать камеру вслед за собеседником, не разворачивая всё тело целиком.
Смартфон выполняет сразу несколько функций. Встроенная камера обеспечивает машинное зрение, а инерциальный измерительный модуль (IMU) определяет ускорение, движение и наклон устройства. Эти данные помогают системе оценивать положение робота и сохранять равновесие. Процессор телефона обрабатывает информацию и выполняет нейросетевые алгоритмы, управляющие движениями.
При этом смартфон не подключён к механическим компонентам напрямую. Он передаёт команды по Wi-Fi небольшому бортовому компьютеру, который взаимодействует с сервоприводами. Такое решение упрощает замену телефона и позволяет экспериментировать с разными моделями устройств.
Как научили робота ходить
Прежде чем сделать первые шаги в реальном мире, PhoneBot тренировался в виртуальной среде. Для обучения исследователи применили метод обучения с подкреплением — подход, при котором алгоритм учится на собственных действиях, получая условные награды за правильное поведение и штрафы за ошибки.
Система поощряла робота за сохранение равновесия, чередование шагов и поддержание заданного темпа. За неправильные движения, например волочение ног, алгоритм получал штрафы.
Важная деталь заключается в том, что симуляция учитывала ограничения настоящей механики: мощность и скорость двигателей, а также люфты в редукторах. Благодаря этому робот учился движениям, которые действительно способен воспроизвести, а не только эффектно выглядят на экране компьютера.
После обучения исследователи продемонстрировали несколько возможностей PhoneBot. Он умеет самостоятельно ходить по ровной поверхности, следовать за человеком, поворачивая камеру в его направлении, и подниматься после падения лицом вниз.
Пока это базовый набор навыков, но для недорогой экспериментальной платформы он уже представляет практический интерес.
Работает ли робот с недорогими смартфонами
Чтобы проверить универсальность своей разработки, команда протестировала PhoneBot с четырьмя Android-смартфонами. Среди них был Honor 9 2017 года выпуска, а также три недорогих устройства, приобретённых по предоплаченным тарифам примерно за 50–80 долларов каждое.
Все четыре телефона смогли выполнять основные задачи: обрабатывать данные датчиков движения, управлять ходьбой и обеспечивать машинное зрение непосредственно на устройстве.
Однако полной совместимости со всеми Android-смартфонами исследователи пока не доказали. Например, на Honor 9 не удалось запустить систему визуальной одновременной локализации и построения карты (SLAM). Эта технология позволяет роботу определять собственное положение и одновременно создавать карту окружающего пространства. Авторы связали проблему с недоступностью сервисов Google на этом устройстве в США.
Есть и другое ограничение: разговорные функции пока не полностью автономны. Распознавание речи и языковая модель работают на расположенном поблизости ноутбуке, с которым смартфон связывается по Wi-Fi. При этом управление ходьбой и обработка изображений выполняются непосредственно на телефоне.
Сколько стоит PhoneBot
По оценке разработчиков, стоимость самого робота составляет около 400 долларов без учёта смартфона.
Для сравнения, в научной работе упоминаются другие небольшие исследовательские гуманоиды стоимостью примерно от 3500 до 13 800 долларов. Возможности этих платформ различаются, поэтому такое сравнение не вполне прямое. Тем не менее PhoneBot потенциально снижает финансовый порог входа в разработку двуногих роботов почти на порядок.
Проект может заинтересовать университетские лаборатории, образовательные учреждения и энтузиастов робототехники. Вместо покупки дорогой специализированной электроники разработчики получают возможность использовать уже существующие компоненты смартфона.
Кроме того, аппаратная и программная части проекта распространяются с открытым исходным кодом. Это позволяет другим исследователям изучать конструкцию, модифицировать её и создавать собственные решения.
Что разработчики планируют дальше
Пока PhoneBot не оснащён руками, а алгоритмы ходьбы обучены только для ровных поверхностей. Небольшие двигатели также ограничивают грузоподъёмность и диапазон возможных движений.
В дальнейшем команда намерена научить робота передвигаться по неровному рельефу, оснастить его лёгкими манипуляторами и расширить возможности взаимодействия с человеком.
Отдельное направление работы — применение языковых моделей для планирования действий. Такая система могла бы объединять голосовые команды с информацией, поступающей от камеры, и преобразовывать их в последовательность движений. Исследователи также рассматривают возможность запуска подходящих языковых моделей непосредственно на смартфоне, чтобы уменьшить зависимость от внешнего ноутбука.
PhoneBot пока нельзя назвать готовым домашним помощником. Скорее, это доступная экспериментальная платформа, демонстрирующая, что для создания относительно сложного робота не всегда нужны дорогостоящие вычислительные системы.
Возможно, в будущем старый смартфон, который годами лежит без дела в ящике стола, сможет стать не просто запасным устройством, а полноценным управляющим центром небольшого робота.
