Рука, уходящая прочь на своих пальцах, напоминает Вещь из «Семейки Аддамс». В этот Хэллоуин Хайди Клум воплотила жутковатую версию этого образа в своём костюме гигантской отрубленной кисти.
В швейцарской робототехнической лаборатории механическая рука делает собственные шаги к чему-то более полезному.
Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) научили её ходить на кончиках пальцев, подниматься после падения и нажимать клавиши на клавиатуре, удерживая равновесие на остальных пальцах.
Идея в том, чтобы дать руке робота возможность работать там, куда не может попасть его корпус.
«Будущий робот сможет отправить свою руку в пространство, куда его тело не пролезет, чтобы что-то осмотреть, задействовать орган управления или переместить предмет, а затем забрать руку обратно», — рассказал изданию ScienceAlert робототехник Роберт Катцшман.
В исследовании команды, опубликованном в виде препринта на arXiv и пока не прошедшем рецензирование, изучается, как встроить такие способности в серийно выпускаемую руку, не перепроектируя её пальцы.
Первую трудность создали сами пальцы. Положите руку на стол так, чтобы стола касались только кончики пальцев, и поднимите один палец. Остальные удержат руку в устойчивом положении. Чтобы ходить, роботизированной руке нужно постоянно перераспределять эту опору, неся при этом весь собственный вес.
«Пальцы имеют разную длину, а большой палец расположен сбоку, из-за чего ходить неудобно», — рассказал ScienceAlert первый автор работы, аспирант Амирхоссейн Каземипур.
«Кроме того, им нужно удерживать равновесие руки, одновременно взаимодействуя с предметами».
Роботизированные руки уже умеют выполнять тонкие задачи, но обычно в нужное положение их доставляет манипулятор. Здесь же одни и те же пальцы должны обеспечивать и перемещение, и опору.
Каземипур, Хэхуэй Чжэн и Катцшман взяли за основу роботизированную руку WUJI и добавили к ней аккумулятор, небольшой компьютер и датчик движения. Вся конструкция весит 818 граммов (около 1,8 фунта), а питание и вычислительное оборудование она несёт на тыльной стороне.
Перед физическими испытаниями исследователи обучили управляющее программное обеспечение в симуляции с помощью обучения с подкреплением. Полезные движения, например продвижение в заданном направлении, приносили числовые награды.
Нежелательные движения, например чрезмерное раскачивание, приводили к штрафам, снижавшим результат. Через многократные попытки система выяснила, какие действия дают наивысший балл.
Чтобы учесть разную длину пальцев, для каждого кончика пальца задали эталонное положение, исходя из позы руки в покое. Чем дальше палец отходил от этого положения, тем сильнее снижался балл, причём вдоль направления движения свобода была больше. Это подвело руку к рабочей походке, не предписывая каждый шаг.
Чтобы перенести эти движения на реальную руку, потребовались измерения того, как её суставы реагируют на команды и как кончики пальцев скользят по поверхности.
«Главным было подогнать обучение под форму руки и тщательно согласовать симуляцию с реальным оборудованием», — сказал Каземипур.
В демонстрациях рука ползала по 14 поверхностям, включая деревянные полы, металлическую решётку, траву и гравий. Оператор подавал команды движения с геймпада, а бортовое программное обеспечение координировало работу пальцев и равновесие без помощи камер.
В испытаниях на управляемость на коврике её средняя скорость за 21 заход составила 9,3 сантиметра (3,7 дюйма) в секунду. Команда также научила руку переворачиваться в рабочее положение, и в физических испытаниях это удалось в 21 из 25 случаев. В остальных четырёх пальцы цеплялись друг за друга.
Установив, что рука умеет двигаться и держать равновесие, исследователи проверили, может ли палец оторваться от поверхности, чтобы выполнить работу. С помощью отдельно обученного контроллера рука нажала нужную клавишу со стрелкой в 29 из 32 последовательных команд.
Эта способность позволила ей вводить ходы в Sokoban — головоломке, где нужно передвигать ящики на нужные места. Ходы выбирал человек; рука управляла клавиатурой без зрительной обратной связи.
Для толкания реального предмета потребовалась другая схема. Расположенная сверху камера отслеживала руку и куб, передавая информацию, благодаря которой рука подходила к кубу и толкала его к цели, сохраняя равновесие.
У каждого навыка свой обученный контроллер. Следующая задача — объединить их для выполнения более длинных заданий, повысить надёжность и оснастить руку бортовым зрением. Демонстрации на открытом воздухе пока не позволяют судить о том, насколько стабильно рука справлялась бы с незнакомой местностью.
Автоматическое отсоединение от более крупного робота и последующее подключение обратно тоже остаются целями на будущее. Катцшман сказал, что механизмы, подобные мышцам, могли бы со временем помочь рукам регулировать жёсткость для более мягкого контакта.
Пока что рука освоила лишь часть движений, которые понадобятся ей, чтобы выбираться за пределы манипулятора. Долгосрочная цель — отправлять её в тесное пространство с конкретной задачей.
Исследование опубликовано в виде препринта на arXiv.