Vertrauen Sie mir, ich weiß, was ich mache: unabhängige Anpassung des modularen Roboters an die Aufgabenumgebung



    Ohne Roboter ist die Science-Fiction-Welt der Zukunft nicht vorstellbar. Ob die Androiden aus dem Alien-Universum, die anthropomorphen Robotermaschinen von Transformers, der Roboterhund Axel oder der riesige Roboterkiller ED-209 aus dem Film „RoboCop“, der für viele Zuschauer ein Huhn ähnelte. Aber was haben sie gemeinsam? Neben Kraft, Geschwindigkeit, Ausdauer und anderen physischen Merkmalen? Intellekt Und was ist Intelligenz? Die Fähigkeit zu denken, Daten zu analysieren und Entscheidungen zu treffen, wenn wir übertrieben und auf den Punkt gebracht werden. Heute treffen wir uns mit dem weltweit ersten modularen Roboter, der in der Lage ist, die Situation auf dem Feld zu analysieren und sich für diese Aufgabe neu zusammenzustellen. Wie Wissenschaftler es geschafft haben, einem Roboter beizubringen, schnell zu denken und richtige Entscheidungen zu treffen, Wie funktioniert dieser Roboter und wie gut? Das Forschungsteam beschreibt all dies in seinem Bericht, in den wir eintauchen werden. Lass uns gehen.

    Die Grundlagen der Grundlagen

    Zum Start lohnt es sich, ein wenig darüber zu erzählen, wie der getestete Roboter aussieht. Es ist nicht ganz üblich, dass seine Konstruktionsmerkmale im Namen selbst offenbart werden - einem modularen selbstkonfigurierbaren Roboter (MSRR). Wir alle verstehen das Wort "Roboter". Mal sehen, was die ersten beiden bedeuten. Modular: Dieser Roboter besteht aus Modulen, die im Wesentlichen unabhängige Roboter sind. Durch das Anschließen dieser Module erhalten Sie (praktisch) je nach Aufgabenstellung ein beliebiges Design. Das heißt, einzelne Mini-Roboter (Module) können einige Aufgaben sicher erledigen, und für komplexere Aufgaben kommen sie zusammen, wenn sich mächtige Ranger in Megazord zusammenschließen (Kinder der 90er Jahre werden verstehen, was für einen Unsinn ich gerade geschrieben habe :) ).


    Aussehen des modularen Roboters.

    Die Forscher stellen fest, dass auf dem Gebiet der modularen Roboter, die einige Probleme lösen können, bereits Forschungen durchgeführt wurden. Zuvor konnten solche Roboter jedoch entweder einfache Aufgaben lösen oder komplexe Aufgaben, deren Lösungen bereits von Menschen programmiert wurden. Tatsächlich haben sie keine eigenen Entscheidungen getroffen und die Situation und Komplexität beurteilt, die zur Erfüllung der Aufgabe erforderlich sind.

    Die Wissenschaftler führten eine Reihe von Tests durch, die sich jeweils von den vorherigen unterschieden. Der Roboter musste eine bestimmte Aufgabe (die später erledigt wurde) für eine neue Umgebung neu anordnen. Eine doppelte Zehenschleife bat ihn natürlich nicht, aber die Ergebnisse trafen den Wissenschaftlern immer noch. Und jetzt lernen wir sie kennen.

    Test von "Megazord"

    Die Tests des Roboters fanden in drei Schritten statt, von denen jede ihre eigene Aufgabe hatte. Sie bestanden die Tests in dem Raum, in dem die „Arbeitsumgebung“ des Roboters mit Hilfe von Boxen gebildet wurde, die von den Forschern in jedem Stadium geändert wurden. Stellen Sie sich ein Labyrinth vor, das sich jedes Mal ändert, wenn Sie es betreten. Der Roboter wurde ursprünglich nicht für jede neue Umgebung programmiert, da dies absolut neue Bedingungen waren. Das einzige, was der Roboter wusste, waren ihre Fähigkeiten. Zunächst einmal ist es eine Umweltprüfung, dann wählt der Roboter aus der Bibliothek die Fähigkeiten aus, die am effektivsten zur Aufgabe beitragen.

    Wie ich bereits sagte, gab es nur drei Testphasen mit unterschiedlichen Aufgaben und Umgebungen:

    1. Erkunden Sie die Umgebung, finden Sie alle rosa / grünen Objekte und die blaue Markierung, verschieben Sie die Objekte an den Ablagepunkt.
    2. Untersuchen Sie die Umgebung, finden Sie die Mailbox, legen Sie das Steckbrett in die Box.
    3. Erkunden Sie die Umgebung, finden Sie das Paket und kleben Sie einen Stempel darauf.


    Die Aufgaben scheinen ziemlich einfach zu sein, aber das ist für uns. Wir gingen in den Raum, sahen uns um und fanden alles, was Sie brauchen. Vergleichen Sie jedoch keinen der komplexesten Computer der Welt (unser Gehirn) und einen kleinen Roboter.

    In der ersten Phase wurde der Roboter mit der Aufgabe beauftragt, zwei Objekte - „Metallischen Mülleimer“, markiert in Rosa und Grün, zu entnehmen und an der Abgabestelle für das Recycling zu übergeben. Die Austrittsstelle wurde mit einem blauen Quadrat an der Wand markiert.

    Die Aufgabe ist eingestellt, die Arbeitsumgebung ist bereit, der Roboter läuft. Zuerst scannt er den Raum und erstellt eine dreidimensionale Karte, nach der er in der Zukunft geführt wird.


    Diagramm der Testzone der ersten Stufe (links) und eine dreidimensionale Karte der Arbeitsumgebung des modularen Roboters (rechts).

    Betrachten Sie die Aktionen des Roboters am Beispiel der ersten Testphase, deren Details Sie im Diagramm sehen, und den Schnappschuss oben.

    Das grüne Etikett im Diagramm ist der Ort einer regulären Getränkedose, zu der der Zugang nicht gesperrt ist. Die rosa Markierung ist eine Drahtspule, die sich in dem engen Raum zwischen zwei Mülltonnen befindet. Auch über den Platz waren verschiedene Hindernisse.

    Zuerst wählte der Roboter die am besten geeignete Bewegungsform - „Maschine“. Als er ein rosafarbenes Objekt fand, analysierte der Roboter seine Position und kam zu dem Schluss, dass eine solche Form das Objekt nicht erhalten würde. Weil er in Form von "Kofferraum" wieder aufgebaut und das Objekt gezogen hat. Zurück zu der Form des Autos, nahm der Roboter das Objekt und trug es zu der Entladestelle, deren Position er bereits kennt, dank Scannen und Erstellen einer Karte.


    A - die erste Stufe (von links nach rechts: Art der Arbeitsumgebung, Scannen der Umgebung, Neukonfiguration des Roboters, Erfassen eines rosa Objekts, Übertragen eines Objekts, Erfassen eines grünen Objekts); B - die zweite Stufe (die oberen 2 Bilder) und die dritte Stufe (die unteren 2 Bilder).

    In der zweiten Phase war die Umgebung bereits anders, da die bisherige Taktik des Roboters nicht mehr wirksam war. In den Bildern oben sehen wir, dass der Roboter die Form einer "Schlange" angenommen hat, um die Stufen zu erklimmen und das Objekt in der Mailbox zu lassen. Nachdem der Roboter die Situation beurteilt hatte, wurde ihm klar, dass das Vorhandensein bestimmter Module nicht nur überflüssig ist, sondern auch zum Versagen führen kann, weshalb diese getrennt wurden.

    In der dritten Phase hatte der Roboter Probleme, das Ziel zu finden (Markierungen, an denen er die Briefmarke platzieren sollte), aber nach wenigen Minuten konnte er es finden. Das Etikett befindet sich in einer Höhe von 25 cm über dem Boden, da die anfängliche Konfiguration des Roboters („Maschine“) nicht wirksam ist. Der Roboter wurde in einer vertikalen Konfiguration umgebaut und die Marke geklebt.

    Rezept für ein Roboter-Puzzle

    Wie wir bereits verstanden haben, besteht unser Megazord aus mehreren kleinen Robotermodulen, die in der Lage sind, verschiedene Bewegungen selbst auszuführen, was einem großen Roboter den Vorteil der Mobilität und natürlich der Fähigkeit zur Rekonfiguration gibt.


    Das Aussehen des Moduls. Die Pfeile zeigen an, wie das Modul seine Position ändern kann (horizontale und vertikale Kurven und Neigung).

    Jedes Modul (jede Fläche des Würfels ist 80 mm) ist mit Elektro-Permanentmagneten ausgestattet, die es den Modulen ermöglichen, sich unabhängig von der Verbindungsseite miteinander zu verbinden. Mit diesem Magneten können Sie auch ferromagnetische Objekte anbringen (z. B. um den Entladepunkt zu transportieren oder den Pfad für den Roboter freizugeben). Außerdem ist jedes einzelne Modul mit einer eigenen Batterie (ungefähr 1 Stunde), einem Mikrocontroller und einem WLAN-Chip ausgestattet. Alle Module wurden drahtlos von einem zentralen Computer aus gesteuert, und es wurde ein gewöhnlicher Haushaltsrouter verwendet, um eine Wi-Fi-Umgebung bereitzustellen.


    Darstellung des Hauptteils des Roboters (Kamera, Standfuß, RGB-D-Kamera und Basis).

    Die Basis des Roboters ist eine kleine Box (90x70x70 mm) aus dünnen Metallplatten, die es den Modulen ermöglicht, die Basis durch Magnetismus zu verbinden. Rechnerische Prozesse wurden mit dem Intel Atom-Prozessor von 1.92 GHz, 4 GB RAM und 64 GB Speicher durchgeführt. Auch in der Basis wurde ein USB-WLAN-Adapter eingebaut.

    Der wichtigste Schritt bei der Umsetzung der Aufgabe ist das Verständnis. Diese Regel gilt für Menschen und kleine intelligente Roboter. Um zu verstehen, was und wie zu tun ist, scannt der Roboter die Umgebung. Dies geschieht über die RGB-D-Kamera.


    Position der Sehenswürdigkeiten ( A , B - die erste Stufe, C - die zweite und D- das dritte) sowie ein Beispiel, wie der Roboter während eines Tests mit einem Objekt in einer engen Öffnung ( E ) "sieht" .

    Wenn das Abtastsystem das erforderliche Objekt erkennt, wird die Funktion der Charakterisierung von Informationen aktiviert, die aus der dreidimensionalen Karte des Mediums erhalten werden. Dadurch entsteht ein Raumraster, auf dem Bereiche, die für den Roboter nicht zugänglich sind, gelb markiert sind. Als Nächstes sucht das System den nächstgelegenen Zugangspunkt zum Objekt (in einem Winkel von 20 ° vom Roboter selbst). Wenn der Abstand von diesem Punkt zum Objekt größer als der Grenzwert ist und sich das Objekt auf der Etage befindet, ermittelt das System, dass sich das Objekt in der Öffnung befindet. Wird das Objekt vom System in einer Position über dem Boden ermittelt, wertet es es als Schritt aus. Wenn der Abstand vom Punkt zum Objekt jedoch unter dem Grenzindikator liegt, entscheidet das System, die Konfiguration „frei“ (dh das Original) oder „hoch“ (zum Anheben auf eine bestimmte Höhe) zu verwenden.


    Die Konfigurationstabelle des Roboters und wofür sie verwendet werden.

    Die Spezifikation der Aufgabe des Roboters ist ziemlich einfach. Betrachten Sie das Beispiel mit der Mailbox:

    • wenn und nur dann eine "Studie" durchführen, wenn der Roboter die Mailbox nicht sieht;
    • führen Sie eine "Bewegung zur Box" nur dann durch, wenn der Roboter die Box sieht und noch nicht erreicht hat;
    • führen Sie ein "Reset" (Objekt in der Box) nur dann durch, wenn der Roboter die Box sieht und sie erreicht hat.


    Dies kann schematisch wie folgt dargestellt werden (das "!" - Zeichen kennzeichnet je nach Variante Aktionen mit den Werten "wahr" und "falsch"):



    Der Konfigurationsänderungsprozess selbst beginnt damit, dass das System die Notwendigkeit für diesen Prozess feststellt. Wenn einer vorhanden ist, erkennt die nach unten gerichtete Kamera einen Abschnitt von 0,75 m mal 0,5 m, wobei der Rekonfigurationsprozess erfolgreich und ohne Störung durch Objekte durchgeführt werden kann. Der Controller bestimmt die Anfangs- und Endkonfiguration und sendet dann ein Signal an die Module mit dem AprilTag-Tag (sieht aus wie ein QR-Code). Module erhalten den Befehl, die Verbindung zu trennen, an die gewünschte Position zu gelangen und eine neue Konfiguration herzustellen.


    Dieses Video zeigt den gesamten Testprozess des Roboters, vom Scannen der Umgebung bis zur Aufgabe.

    Das merkwürdigste Element dieses Transformator-Roboters ist immer noch nicht die Möglichkeit, die Konfiguration der Module zu ändern, sondern die Fähigkeit, selbstständig zu entscheiden, wie er geändert werden soll, und sich den Umständen anzupassen.

    Die Systemarchitektur verwendet ein Framework, das es jedem Benutzer ermöglicht, dem Roboter mit dem gebräuchlichsten Vokabular eine Aufgabe zuzuweisen und eine zentrale Steuerung zu bilden, die wiederum die Module abhängig von der Umgebung der Aufgabe verwaltet. Die Grundlage all dies ist LTLMoP (Linear Temporal Logic MissiOn Planning), mit dem Sie Steuerungen basierend auf vom Benutzer zur Verfügung gestellten Anweisungen auf hoher Ebene erstellen können.

    Für eine genauere Kenntnis der Studie empfehle ich den Bericht der Forscher und zusätzliche Materialien dazu.

    Epilog

    Dieses System ist sehr interessant, wenn auch nicht ohne Mängel. So gibt der Benutzer beispielsweise die Aufgabe des Roboters, ein Objekt in die Mailbox zu legen, das Objekt jedoch nicht fallen zu lassen, bis die Box erkannt wird. Mit anderen Worten, der Roboter kann die Task-Ausführung nicht einfach mit den Worten "F * ck it, ich habe aufhören!" Unterbrechen. Wenn der Roboter die Box nicht erkennt, fordert das System den Benutzer gleichzeitig auf, Klärungsdaten einzugeben. Es stellt sich heraus, dass der Roboter nicht so unabhängig ist? Nein, natürlich ist dies noch nicht der T-1000, aber die ersten Schritte dazu sind bereits vorhanden. Schließlich entscheidet der Roboter selbst, welche der ihm zur Verfügung stehenden Konfigurationen geeignet ist, um die Aufgabe optimal auszuführen. Es ist unmöglich, dies als Denkprozess zu bezeichnen, alles ist ziemlich einfach und linear.

    Auch wenn dieser kleine Transformator menschliche Hilfe benötigt, kann er dennoch eine Entscheidung treffen. Hoffen wir, dass wir die Zukunft von Ultron jetzt nicht sehen. :)
    Freitag Offtop (alles gute Wochenende):

    Video für diejenigen, die sich nicht entscheiden können, wen er mehr mag: coole Samurai oder coole Roboter.


    Und die zweite Offtopic (Entschuldigung, ich konnte nicht widerstehen) für Musikliebhaber.


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