推進(jìn)機器人精細(xì)控制和人機協(xié)作 日本公司教會機器臂抖空竹

一大早，公園里就熱鬧了起來，大爺們雙手握桿抖動空竹，做出各種花樣技巧，引得旁人駐足觀看。

這樣的場景大多數(shù)人應(yīng)該都不陌生。

早在我國明清時期，抖空竹這項運動就開始興起、盛行，2006 年5 月 20 日，空竹更是被國務(wù)院批準(zhǔn)列入第一批國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄。

作為一項典型的基礎(chǔ)性節(jié)律運動，抖空竹可以活動到身體很多部位、預(yù)防肩周炎等疾病，還能顯著提高新陳代謝，有助于身體健康。

網(wǎng)絡(luò)上流傳著不少抖空竹入門視頻，很多人表示抖空竹是個技術(shù)活，想輕松自如地抖空竹并沒有想象中那么容易，那么問題來了：轉(zhuǎn)眼 2020 年就快結(jié)束了，大家都說科技發(fā)展得很快，那機器人會抖空竹嗎?

您別說，還真會!

腦洞從何而來?

這里有視頻截圖為證：兩條機械臂正在抖空竹。

甚至，人機還能打配合，一起炫技。

其實，這一腦洞來自一家位于日本東京的公司 OMRON SINIC X。

OMRON SINIC X 是總部位于日本京都的知名自動化控制及電子設(shè)備制造廠商歐姆龍集團(OMRON Corporation)于 2018 年成立的子公司，其設(shè)立的主要目的就在于「近未來設(shè)計」——根據(jù)其官網(wǎng)介紹，OMRON SINIC X 致力于進(jìn)行機器人技術(shù)、計算機視覺、機器學(xué)習(xí)和人機交互等領(lǐng)域的前沿研究。

作為歐姆龍集團的一個戰(zhàn)略據(jù)點，OMRON SINIC X聘用了多個領(lǐng)域的杰出人才，包括人工智能、機器人、物聯(lián)網(wǎng)、制造業(yè)和金融業(yè)等，同時還與高校、科研機構(gòu)有著密切的合作，旨在重點解決四個領(lǐng)域的社會問題：工廠自動化、醫(yī)療、機動、能源管理。

說到這里，就不得不提一下歐姆龍集團在機器人領(lǐng)域的高光時刻——2016 年 9 月 8 日，歐姆龍在官網(wǎng)上宣布，他們開發(fā)的能持續(xù)與人類進(jìn)行乒乓球?qū)Υ虻臋C器人 Forpheus 被吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)定為世界上首臺乒乓球教練機器人。

那么這次為何要嘗試讓機器人抖空竹呢?

研究人員表示，他們的目標(biāo)在于推進(jìn)機器人精細(xì)控制和人機協(xié)作。

對于機器人來說，抖空竹可以說是一個挑戰(zhàn)遞增、激勵不斷的絕佳學(xué)習(xí)過程，可惜類似的模型目前還未被設(shè)計出來。

如果用真正的機器臂來訓(xùn)練，成本會很高，而且這樣的高加速度任務(wù)(抖空竹主要是靠慣性)操作起來的確有一定危險性。

基于上述想法，研究人員做出了一個空竹模型(diabolo model)，由此，機器人也能抖空竹了。

模型如何構(gòu)建?

具體過程如何，我們可以在 OMRON SINIC X 發(fā)表于預(yù)印本平臺 arXiv 的一篇論文中找到答案。

論文題為 An analytical diabolo model for robotic learning and control(機器人學(xué)習(xí)并控制的空竹分析模型)。

首先，研究人員推導(dǎo)出了一個空竹 - 繩子系統(tǒng)的分析模型。

抖空竹，核心在于繩子，要模擬繩子并不容易，原因在于——其摩擦力取決于許多難以甚至不可能測量出來的參數(shù)，而且空竹本身和繩子之間的相互作用也是十分靈活、非線性的。

因此，模型簡化了抖空竹原本的復(fù)雜動作，用一個橢圓來表示繩子的軌跡，用以計算力與運動。

如下圖所示，兩根小棒的頂端恰好是橢圓的焦點。當(dāng)然這只是平面圖，三維空間中，橢圓形就成了橢球體。

研究人員假設(shè)了空竹不同的幾種狀態(tài)，比如：

繩子緊繃狀態(tài)：空竹在橢圓以內(nèi)運動。

繩子松弛狀態(tài)：空竹的中間部分安全地卡在繩子上。

空竹飛行狀態(tài)：空竹在橢圓以外運動。

為確保模型的準(zhǔn)確性，研究人員通過記錄人們花式抖空竹的過程，形成了一個數(shù)據(jù)集，將這一數(shù)據(jù)集和模型進(jìn)行對比。結(jié)果表明，不論是精度還是物理一致性，模型的表現(xiàn)都超過了基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測器。

接著，研究人員描述了一種基于最優(yōu)控制的方法「基于模型的預(yù)測控制」(Model-based Predictive Control，MPC)。

這一方法以空竹的速度和位置作為輸入，通過優(yōu)化其中一根小棒的運動軌跡，預(yù)測兩根小棒頂端的運動軌跡，來生成機器人抖空竹的軌跡，讓機器人解鎖更多花式玩法。

具體到下圖：

黃色線條代表預(yù)測的空竹軌跡;

綠色線條代表目標(biāo)狀態(tài);

白色線條代表下一次軌跡出現(xiàn)前的預(yù)測;

紅色、藍(lán)色線條代表兩根小棒頂端的軌跡;

透明紅色區(qū)域代表實際三維情境中形成的橢球體軌跡。

最后，研究人員在真實的機器人系統(tǒng)上進(jìn)行測試，實現(xiàn)了人機共抖空竹的結(jié)果。

研究人員表示，希望這項研究能對機器人技術(shù)起到推動作用，激勵機器人學(xué)習(xí)方面涌現(xiàn)出更多想法。

值得一提的是，OMRON SINIC X 官方表示準(zhǔn)備發(fā)布仿真模型、數(shù)據(jù)集和控制算法，作為獨立模塊和 Gazebo 插件供大家學(xué)習(xí)，感興趣的小伙伴們可以保持關(guān)注。

關(guān)鍵詞： 抖空竹