RoboGrammar System automatizuje a optimalizuje návrh robotů

Tvar robota určuje, jaké typy úkolů může vykonávat a jaké prostředí může provozovat. Se současnými technologickými omezeními neexistuje způsob, jak postavit a otestovat každou formu, ale nový systém vyvinutý výzkumníky z MIT umožňuje těchto mnoho forem. být simulován. Po simulacích mohou být ze skupiny vybráni nejlepší z nich.

Nový systém se nazývá RoboGrammar a prvním krokem je informovat jej o tom, jaké typy součástí robota jsou k dispozici, jako jsou kola a klouby. Poté označíte typ terénu, na kterém bude robot pracovat, ale to je v podstatě vše. RoboGrammar poté vygeneruje optimalizovanou strukturu a řídicí program.

Pokrok v oblasti robotického designu

Nový systém je velkým krokem vpřed v pokročilém oboru, který je stále převážně manuální.

Allan Zhao je vedoucím autorem výzkumu a doktorandem v MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).

„Návrh robota je stále velmi manuální proces,“ říká Zhao. Systém RoboGrammar je „způsob, jak přijít s novými, vynalézavějšími návrhy robotů, které by mohly být potenciálně efektivnější“.

Výzkum má být tento měsíc představen na asijské konferenci SIGGRAPH.

Podle Zhao jsou roboti stavěni pro nejrůznější úkoly, ale „všichni jsou si velmi podobní svým celkovým tvarem a designem. Když vás napadne postavit robota, který potřebuje překonat různé terény, okamžitě skočíte na čtyřnožku. Přemýšleli jsme, jestli je to opravdu optimální návrh.“

Tým věřil, že nový a inovativnější design by mohl přinést lepší výsledky a zlepšit funkčnost, a proto sestrojili počítačový model pro dané úkoly. Systém nebyl ovlivněn předchozí konvencí a platila zde určitá pravidla.

Zhao píše, že sbírka možných forem robotů je „primárně složena z nesmyslných návrhů. Pokud můžete jednotlivé části spojit libovolným způsobem, skončíte ve změti."

Gramatika grafů

Tým se rozhodl vyvinout „gramatiku grafů“, která omezuje uspořádání součástí robota. Je to proto, aby každý počítačově generovaný návrh fungoval na základní úrovni s omezeními, jako je nemožnost spojovat segmenty nohou mezi sebou namísto kloubů.

Zhao se při navrhování pravidel gramatiky grafů inspiroval zvířaty, konkrétně členovci.

Členovci se „vyznačují tím, že mají centrální tělo s proměnlivým počtem segmentů. Některé segmenty mohou mít připevněné nohy,“ říká Zhao. "A všimli jsme si, že to stačí k popisu nejen členovců, ale také známějších forem."

Pomocí grafové gramatiky funguje RoboGrammar ve třech krocích. Nejprve definuje problém. Za druhé navrhuje možná robotická řešení. Za třetí, vybere ty optimální.

Lidští uživatelé jsou zodpovědní za definici problému a zadávání sady dostupných robotických komponent, jako jsou motory, nohy a spojovací segmenty. Uživatel také zadá, na jakém typu terénu bude robot pracovat.

„To je klíč k zajištění toho, aby finální roboti mohli být skutečně postaveni v reálném světě,“ říká Zhao.

Stovky tisíc struktur

RoboGrammar přebírá pravidla gramatiky grafů a navrhuje stovky tisíc možných struktur robotů s různými různými vzhledy.

„Bylo pro nás docela inspirativní vidět rozmanitost návrhů,“ říká Zhao. "Určitě to ukazuje výraznost gramatiky."

Ne všechny návrhy jsou však dobré a výběr toho nejlepšího znamená, že je nutné vyhodnotit pohyby a funkce každého robota.

"Až dosud byli tito roboti jen konstrukcemi," říká Zhao.

Tým vyvinul ovladač pro každého robota pomocí algoritmu zvaného Model Predictive Control, který upřednostňuje rychlý pohyb vpřed, a to je to, co posouvá struktury.

„Tvar a řídicí jednotka robota jsou hluboce propojeny, a proto musíme optimalizovat řídicí jednotku pro každého daného robota individuálně,“ říká Zhao.

Výzkumníci pak používají algoritmus neuronové sítě k nalezení vysoce výkonných robotů. Algoritmus vzorkuje a vyhodnocuje různé sady robotů a učí se, které návrhy fungují pro jaké úkoly.

Vše zmíněné až do tohoto okamžiku probíhá bez lidského zásahu.

„Tato práce je vrcholným úspěchem v 25letém úsilí o automatické navrhování morfologie a ovládání robotů,“ říká Hod Lipson, strojní inženýr a počítačový vědec z Kolumbijské univerzity. Nebyl zapojen do výzkumu. „Myšlenka použití tvarové gramatiky existuje již nějakou dobu, ale nikde nebyla tato myšlenka provedena tak krásně jako v této práci. Jakmile dokážeme přimět stroje, aby automaticky navrhovaly, vyráběly a programovaly roboty, všechny sázky končí.“

Podle Zhao je RoboGrammar „nástrojem pro konstruktéry robotů, jak rozšířit prostor robotických struktur, ze kterých čerpají“.

Tým nyní plánuje postavit a otestovat některé z robotů v reálném světě a Zhao říká, že systém by se mohl posunout za hranice terénu a do oblastí, jako jsou virtuální světy.

„Řekněme, že jste ve videohře chtěli generovat spoustu druhů robotů, aniž byste každého vytvořili umělcem. RoboGrammar by na to fungoval téměř okamžitě,“ říká Zhao.