Σύστημα RoboGrammar Αυτοματοποιεί και Βελτιώνει το Σχεδιασμό Ρομπότ

Η μορφή ενός ρομπότ καθορίζει ποια είδη εργασιών μπορεί να εκτελέσει και σε ποιο περιβάλλον μπορεί να λειτουργήσει. Με τις τρέχουσες τεχνολογικές περιορισμοί, δεν υπάρχει τρόπος να κατασκευαστούν και να δοκιμαστούν όλα αυτά τα σχήματα, αλλά ένα νέο σύστημα που αναπτύχθηκε από ερευνητές στο MIT επιτρέπει τη模拟 этих μορφών. Μετά από симуляции, τα καλύτερα από αυτά μπορούν να επιλεγούν από την ομάδα.

Το νέο σύστημα ονομάζεται RoboGrammar, και το πρώτο βήμα είναι να ενημερώσετε το σύστημα για τα είδη των μερών του ρομπότ που είναι διαθέσιμα, όπως τα τροχά και τα συνδέσμους. Στη συνέχεια, υποδεικνύετε το είδος του εδάφους στο οποίο θα λειτουργήσει το ρομπότ, αλλά αυτό είναι ουσιαστικά όλα. Το RoboGrammar στη συνέχεια δημιουργεί μια βελτιστοποιημένη δομή και πρόγραμμα ελέγχου.

Προώθηση του Πεδίου του Σχεδιασμού Ρομπότ

Το νέο σύστημα είναι ένα μεγάλο βήμα μπροστά σε ένα προηγμένο πεδίο που είναι ακόμη σε μεγάλο βαθμό χειροκίνητο.

Ο Allan Zhao είναι ο κύριος συγγραφέας της έρευνας και φοιτητής διδακτορικού στο Εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνολογίας Υπολογιστών του MIT (CSAIL).

«Ο σχεδιασμός ρομπότ είναι ακόμη một πολύ χειροκίνητος διαδικασία», λέει ο Zhao. Το σύστημα RoboGrammar είναι «ένας τρόπος για να δημιουργηθούν νέες, πιο εφευρετικές σχεδιασμούς ρομπότ που θα μπορούσαν να είναι πιο αποτελεσματικοί».

Η έρευνα πρόκειται να παρουσιαστεί στη διάσκεψη SIGGRAPH Asia αυτόν τον μήνα.

Σύμφωνα με τον Zhao, τα ρομπότ κατασκευάζονται για όλους τους τύπους εργασιών, αλλά «όλα αυτά έχουν την τάση να είναι πολύ παρόμοια στη γενική μορφή και σχεδιασμό. Όταν σκέφτεστε να κατασκευάσετε ένα ρομπότ που πρέπει να διασχίσει διάφορα εδάφη, αμέσως πηδάτε σε ένα τετράποδο. Ρωτήσαμε αν αυτό είναι πραγματικά ο βέλτιστος σχεδιασμός».

Η ομάδα πίστευε ότι ένας νέος και πιο καινοτόμος σχεδιασμός θα μπορούσε να παράγει καλύτερα αποτελέσματα και να βελτιώσει τη λειτουργικότητα, και γι’ αυτό τον λόγο κατασκεύασαν ένα υπολογιστικό μοντέλο για τις εργασίες. Το σύστημα δεν επηρεάστηκε από προηγούμενες συμβάσεις και υπήρχαν κάποιες κανόνες που εφαρμόστηκαν.

Ο Zhao γράφει ότι η συλλογή των πιθανών μορφών ρομπότ είναι «πρωτίστως αποτελούμενη από ανοησίες σχεδιασμούς. Αν μπορείτε να συνδέσετε τα μέρη με αυθαίρετο τρόπο, καταλήγετε σε μια μάζα».

https://www.youtube.com/watch?v=JmuLW5So4FU&feature=emb_title

Η Γραμματική του Γράφου

Η ομάδα έθεσε ως στόχο να αναπτύξει μια «γραμματική του γράφου», η οποία περιορίζει τον τρόπο με τον οποίο τα μέρη του ρομπότ μπορούν να διατεθούν. Αυτό είναι απλώς για να διασφαλιστεί ότι κάθε υπολογιστικά γεννημένος σχεδιασμός λειτουργεί σε βασικό επίπεδο, με περιορισμούς όπως η αδυναμία σύνδεσης τμημάτων ποδιών με άλλα τμήματα αντί για συνδέσμους.

Ο Zhao εμπνεύστηκε από τα ζώα, συγκεκριμένα τα αρθρόποδα, όταν σχεδίαζε τους κανόνες της γραμματικής του γράφου.

Τα αρθρόποδα «χαρακτηρίζονται από την παρουσία ενός κεντρικού σώματος με μεταβλητό αριθμό τμημάτων. Κάποια τμήματα μπορεί να έχουν ποδιά прикреплены», λέει ο Zhao. «Και παρατηρήσαμε ότι αυτό είναι αρκετό για να περιγράψει όχι μόνο τα αρθρόποδα, αλλά και πιο οικεία σχήματα».

Μέσω της χρήσης της γραμματικής του γράφου, το RoboGrammar λειτουργεί σε τρία βήματα. Πρώτον, ορίζει το πρόβλημα. Δεύτερον, σχεδιάζει πιθανές λύσεις ρομπότ. Τρίτον, επιλέγει τις βέλτιστες λύσεις.

Οι ανθρώπινοι χρήστες είναι υπεύθυνοι για τον ορισμό του προβλήματος και την εισαγωγή του συνόλου των διαθέσιμων μερών ρομπότ, όπως κινητήρες, πόδια και συνδέσμους. Ο χρήστης εισάγει επίσης το είδος του εδάφους στο οποίο θα λειτουργήσει το ρομπότ.

«Αυτό είναι κρίσιμο για να διασφαλιστεί ότι τα τελικά ρομπότ μπορούν πραγματικά να κατασκευαστούν στον πραγματικό κόσμο», λέει ο Zhao.

Εκατοντάδες Χιλιάδες Δομές

Το RoboGrammar λαμβάνει τους κανόνες της γραμματικής του γράφου και σχεδιάζει εκατοντάδες χιλιάδες πιθανές δομές ρομπότ, με διάφορες διαφορετικές εμφανίσεις.

«Ήταν khá εμπνευστικό για μας να δούμε την ποικιλία των σχεδιασμών», λέει ο Zhao. «Αυτό δείχνει σαφώς την εκφραστική δύναμη της γραμματικής».

Ωστόσο, όχι όλες οι δομές είναι καλές, και η επιλογή της καλύτερης σημαίνει ότι κάθε κίνηση και λειτουργία του ρομπότ πρέπει να αξιολογηθεί.

«Μέχρι τώρα, αυτά τα ρομπότ είναι απλώς δομές», λέει ο Zhao.

Η ομάδα ανέπτυξε einen ελεγκτή για κάθε ρομπότ μέσω ενός αλγορίθμου που ονομάζεται Model Predictive Control, ο οποίος προτεραιοποιεί τη γρήγορη προώθηση, και αυτό είναι αυτό που προωθεί τις δομές.

«Η μορφή και ο ελεγκτής του ρομπότ είναι 깊ά συνδεδεμένοι, και γι’ αυτό τον λόγο πρέπει να βελτιστοποιήσουμε έναν ελεγκτή για κάθε δοθείσα ρομπότ ξεχωριστά», λέει ο Zhao.

Οι ερευνητές στη συνέχεια χρησιμοποιούν einen αλγόριθμο νευρωνικού δικτύου για να βρουν υψηλής απόδοσης ρομπότ. Ο αλγόριθμος δειγματοληψίας και αξιολόγησης διαφορετικών συνόλων ρομπότ και μαθαίνει ποιοι σχεδιασμοί λειτουργούν για ποια εργασίες.

Όλα αυτά που αναφέρθηκαν μέχρι τώρα λαμβάνουν χώρα χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση.

«Αυτό το έργο είναι μια κορυφαία επιτεύγματος στην 25χρονη αναζήτηση για αυτόματο σχεδιασμό της μορφολογίας και του ελέγχου των ρομπότ», λέει ο Hod Lipson, μηχανικός και επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια. Δεν ήταν εμπλεγμένος με την έρευνα. «Η ιδέα της χρήσης shape-grammars έχει υπάρξει για καιρό, αλλά πουθενά αυτή η ιδέα δεν έχει εκτελεστεί τόσο όμορφα όσο σε αυτό το έργο. Μόλις μπορούμε να πάρουμε τις μηχανές να σχεδιάσουν, να κατασκευάσουν και να προγραμματίσουν ρομπότ αυτόματα, όλα τα πάντα είναι ανοιχτά».

Σύμφωνα με τον Zhao, το RoboGrammar είναι «ένα εργαλείο για τους σχεδιαστές ρομπότ να επεκτείνουν τον χώρο των δομών ρομπότ που βασίζονται».

Η ομάδα τώρα σχεδιάζει να κατασκευάσει και να δοκιμάσει κάποια από τα ρομπότ στον πραγματικό κόσμο, και ο Zhao λέει ότι το σύστημα θα μπορούσε να υπερβεί την διέλευση εδάφους και να εισέλθει σε περιοχές όπως οι εικονικοί κόσμοι.

«Λέτε σε ένα βιντεοπαιχνίδι που θέλετε να δημιουργήσετε πολλά είδη ρομπότ, χωρίς να έχετε έναν καλλιτέχνη να δημιουργήσει κάθε ένα. Το RoboGrammar θα λειτουργήσει για αυτό σχεδόν αμέσως», λέει ο Zhao.