Французькі інженери спробували розв'язати задачу кота, що падає, для чотириногого робота Mini Cheetah та допомогли йому приземлитися на ноги при падінні з триметрової висоти. Для цього робота взули у надруковані на 3D-принтері чоботи, які наповнили п'ятицентовими монетами. Як навчити робота падати на ноги незалежно від орієнтації тіла відносно землі, вчені розповіли у статті, опублікованій на сервісі препринтів arXiv.
ND Robotics / YouTube
Як падають коти?
Здатність котів (а також білок) ніби всупереч фізиці завжди приземлятися на лапи незалежно від свого початкового положення надзвичайно захоплює вчених. Задачу кота, що падає (falling cat problem) вдалося розв'язати з появою фотографії. З'ясувалося, що якщо подивитися на тварину як на систему з двох пов'язаних між собою циліндрів, один з яких моделює передню половину тіла кішки, а другий - задню, то феномен її падіння можна пояснити з точки зору динаміки. У статті 1968 року «Пояснення феномену падіння кота з точки зору динаміки», пара американських фізиків за підтримки NASA пояснили: тіло кішки згинається в різні боки. На початку падіння, коли кішка повернута лапами вгору, її передні лапи наближаються до задніх, затим вона згинається в бічному напрямку, вигинається назад, а потім знову вигинається вперед так, що перевертається лапами вниз
і готова приземлитися.
Eyytee / Wikimedia Commons
До чого тут роботи?
Наділення роботів принципами, якими послуговуються тварини, може надзвичайно полегшити роботу, адже зокрема коти, вже мають готові рішення для проблем, з якими стикається робототехніка. Розробники чотириногих роботів наділили їх ефективними алгоритмами з керування кінцівками, завдяки чому ті здатні легко оминати людей і перешкоди у парках, долати намащену олією підлогу та навіть тримати гвинтівку. Загалом вони вміють і оговтуватися від падіння - не дарма інженери постійно намагаються дістати їх ключкою чи ногою. Чотириногі Mini Cheetah також вміють самостійно вставати на ноги, відштовхуючись коліном. У новій роботі інженери університету Нотр Дам взяли собі нову мету - поставити робота на ноги після падіння з висоти.
Як зробити робота схожим на кішку?
У Mini Cheetah немає гнучкого хребта, тому пряме копіювання кішки неможливо. Щоб владнати із земним тяжінням, йому потрібно навчитися більш різких рухів, а отже інженерам потрібно наділити його штучним інтелектом, який допоміг би оптимізувати їх та скеровував Mini Cheetah. Адже хоча алгоритми оптимізації траєкторії стають все краще і краще, вони все ще недостатньо швидкі, щоб знайти рішення з нуля за частки секунди між моментом, коли робот відчуває падіння, і тим, коли йому потрібно почати рух для приземлення на ноги. Щоб обійти цю проблему, оптимізацію траєкторії доручили штучному інтелекту, який набув досвіду безпосередньо у падіннях. Чотириногий пережив безліч падінь у симуляціях, поки нейромережа не почала рефлективно підлаштовувати його рух - автоматично реагувати одразу як робот відчуває, що падає. Завдяки тому, що алгоритм запам'ятовував рухи, які знадобилися роботу, щоб стати рівно на ноги після падіння, він приймав рішення для безпечного приземлення всього за половину секунди, перевертаючи робота у повітрі на 90 градусів.
Втім, ноги Mini Cheetah були спеціально розроблені, щоб бути дуже легкими, тому їх переміщення разом з роботом в повітрі не особливо змінює розподіл маси, який потрібен для успішного приземлення. Так робот обзавівся друкованим на 3D-принтері взуттям, який вчені заповнили п'ятицентовими монетами - приблизно по 500 грамів на кожну ногу.
ND Robotics / YouTube
Що відчуває робот у падінні?
Свій режим кішки, що падає, робот вмикає одразу як починає власне падати (не без допомоги інженера з драбиною). Mini Cheetah виявляє себе у падінні тільки-но його інерційний вимірювальний пристрій вловлює прискорення у вільному падінні - 9,8 метра на секунду квадратну - протягом 30 мілісекунд. Тільки-но це відбувається, Mini Cheetah передається у керування своїй рефлекторній нейромережі, яка вже за пів секунди продумала йому траєкторію правильного падіння, оцінивши положення робота. Так за допомогою стандартного контролера балансу Mini Cheetah і приземляється у безпечному для себе положенні. Цей контролер стежить, щоб ноги Mini Cheetah не створювали зайвих рухів, які збили би всі налаштування для приземлення ще до того, як робот досяг землі. Все це допомогло роботу пережити падіння з триметрової висоти драбини, з якої його за ноги скинули розробники.
За їхніми словами, поки успіх у приземленні підопічному можливо забезпечити лише якщо скидати його з драбини під кутом 90 градусів та з достатньої висоти. Важливо зазначити, що котам немає різниці, з якого положення вони падатимуть (хоч би лапами догори), а також вимагають набагато меншої висоти, щоб переорієнтуватися. Втім, Mini Cheetah значно важче кішки, особливо з черевиками, тому для його повороту на 90 градусів потрібна робота на межі крутного моменту. Також у створюваних нейромережею траєкторіях враховується тільки переорієнтація в польоті, а не значно складніша фаза контакту з землею. Наприклад, зараз робот бився об килимок ногами, а потім підстрибував і приземлявся на спину. Але це можна пом'якшити, використовуючи стратегії оптимізації траєкторії з урахуванням контакту з поверхнею. Все це інженери планують врахувати у наступних розробках, а поки ця робота доводить, що так звані рефлективні алгоритми перевершують заздалегідь продумані послідовності дій принаймні для коротких і високодинамічних траєкторій.