Systém řízení pohybu robota v reálném čase z FEL ČVUT

Tags: Algoritmus | FEL ČVUT | Har­mo­ni­ous | Humanoidní roboti | iCub | Robotika

Co je po­tře­ba k tomu, abys­te mohli hrát stol­ní hru s hu­ma­no­id­ním ro­bo­tem? Vědci ze sku­pi­ny hu­ma­no­id­ní ro­bo­ti­ky na Fa­kul­tě elek­tro­tech­nic­ké ČVUT před­sta­vi­li Har­mo­ni­ous, re­ak­tiv­ní sys­tém ří­ze­ní po­hy­bu ro­bo­ta v re­ál­ném čase. Vě­dec­ký člá­nek o novém al­go­rit­mu, díky němuž hu­ma­no­id zís­kal schop­nost velmi při­ro­ze­né­ho a bez­peč­né­ho po­hy­bu mezi lidmi, pu­b­li­ko­val re­no­mo­va­ný ča­so­pis IEEE Transacti­ons on Ro­bo­tics.

Vědci z ka­ted­ry ky­ber­ne­ti­ky Fa­kul­ty elek­tro­tech­nic­ké ČVUT ve spo­lu­prá­ci s ko­le­gy z Uni­ver­si­ty of Co­lo­ra­do Boul­der a ja­nov­ské­ho Isti­tu­to Ita­li­a­no di Tec­no­lo­gia, kteří zkou­ma­jí in­ter­ak­ce mezi ro­bo­ty a člo­vě­kem, zre­a­li­zo­va­li ex­pe­ri­ment se stol­ní hrou Bubbles. Hu­ma­no­id­ní robot iCub a člo­věk sedí na­pro­ti sobě u stolu a hrají hru se třemi kost­ka­mi a šesti od­kry­tý­mi kar­ta­mi. Kost­ky jsou vr­že­ny a vy­hrá­vá ten, kdo nej­rych­le­ji ukáže na správ­nou kartu: barva nej­vyš­ší­ho čísla na kost­kách se při­tom musí sho­do­vat s bar­vou nej­vět­ší bub­li­ny na kar­tách.

Cílem bylo de­mon­stro­vat nejen ko­gni­tiv­ní schop­nos­ti ro­bo­ta, ale zejmé­na po­krok, který do­sáh­li vědci v tom, aby se ro­bo­ti mohli bez­peč­ně po­hy­bo­vat v pro­stře­dí obyd­le­ném lidmi. Zá­sad­ně k němu při­spí­vá nový re­ak­tiv­ní re­gu­lá­tor po­hy­bu ovlá­da­jí­cí horní po­lo­vi­nu hu­ma­no­i­da. Robot iCub je díky vy­vi­nu­té­mu al­go­rit­mu scho­pen ply­nu­lé­ho po­hy­bu a em­pa­tic­ké­ho cho­vá­ní a člo­věk se vedle něho může cítit na­pros­to bez­peč­ně.

Je to zjev­né i z ex­pe­ri­men­tu na videu, kde lid­ský fi­gu­rant vě­do­mě ro­bo­to­vi brání v po­hy­bu, od­str­ku­je jeho ruce, a robot se při­tom po­sluš­ně pod­vo­lu­je jeho ma­ni­pu­la­ci. Bez těch­to lid­ských zá­sa­hů by měl robot ve hře jed­no­znač­ně na­vrch. Hu­ma­no­id vy­ba­ve­ný ka­me­rou, dvěma ti­sí­ci hma­to­vý­mi re­cep­to­ry a pro­xi­mi­ty sen­zo­rem iden­ti­fi­ku­jí­cím blíz­ké před­mě­ty totiž vše ne­o­myl­ně ana­ly­zu­je v řádu mi­li­sekund a pohyb jeho klou­bů je bez­pro­střed­ní. Člo­věk by ve hře, která je ur­če­na dětem od škol­ní­ho věku a od hráčů vy­ža­du­je sou­stře­dě­ní a po­ho­to­vou re­ak­ci, neměl šanci.

Re­ak­tiv­ní re­gu­lá­tor po­hy­bu, který vědci na­zva­li Har­mo­ni­ous, dává ro­bo­to­vi schop­nost velmi při­ro­ze­né­ho po­hy­bu a při­mě­ře­né re­ak­ce na pod­ně­ty okolí. „Jsou to vlast­nos­ti, které byly do­po­sud při­pi­so­vá­ny spíše or­ga­nismům než stro­jům. V ro­bo­ti­ce dosud pře­vlá­dal důraz na plá­no­vá­ní po­hy­bu ro­bo­ta, které se ale může uplat­nit jen v ne­měn­ném a před­ví­da­tel­ném pro­stře­dí, jaké jsme schop­ni vy­tvo­řit na­pří­klad ve vý­rob­ním pro­vo­zu. Pokud ale ro­bo­ta na­sa­dí­me v ne­struk­tu­ro­va­ném dy­na­mic­kém pro­stře­dí, ve kte­rém se běžně po­hy­bu­je­me i my, tento pří­stup se­lhá­vá a je po­tře­ba, aby robot byl scho­pen se cho­vat jako člo­věk, tj. při­způ­so­bo­val se pře­káž­kám a měnil tra­jek­to­rii po­hy­bu podle ak­tu­ál­ní si­tu­a­ce.

Empatický robot inspirovaný přírodou se bude moci zapojit do reálného prostředí

iCub je první robot, o kte­rém lze pro­hlá­sit, že je vedle slu­chu a zraku vy­ba­ven také hma­tem. Schop­nost vní­mat do­ty­ky mu umožňují hma­to­vé sen­zo­ry za­bu­do­va­né v elek­tro­nic­ké kůži. Díky svým smys­lům si kolem svého těla ovlá­da­né­ho 53 elek­tro­mo­to­ry vy­tvá­ří „ochran­nou bub­li­nu“, která mu umožňuje kon­t­ro­lo­vat pro­stor velmi po­dob­ně jako je tomu u člo­vě­ka. Umělá in­te­li­gen­ce ho na zá­kla­dě před­cho­zích zku­še­nos­ti s vní­má­ním vi­zu­ál­ních a hma­to­vých vjemů při­ve­de ke správ­né­mu ře­še­ní, když na něj letí míč nebo mu někdo brání v po­hy­bu.

Podle doc. Ma­tě­je Hoff­man­na, který na vý­vo­ji re­gu­lá­to­ru spo­lu­pra­co­val s Ing. Ja­ku­bem Roz­liv­kem, se iCub učí vní­mat své okolí ob­dob­ně jako dítě, které svým vzhle­dem při­po­mí­ná. Ovšem i hu­ma­no­id s dět­ský­mi roz­mě­ry má ve svých mo­to­rech sílu, která by po­ten­ci­ál­ně mohla svému okolí ublí­žit. Proto byl při vý­vo­ji re­gu­lá­to­ru Har­mo­ni­ous sta­no­ven cíl, že si robot osvo­jí schop­nost při­mě­ře­né a bez­peč­né re­ak­ce. Dok­to­rand z ka­ted­ry ky­ber­ne­ti­ky FEL ČVUT je uve­den jako hlav­ní autor pu­b­li­ka­ce, jež vyšla v lis­to­pa­do­vém vy­dá­ní IEEE Transacti­ons On Ro­bo­tics, jed­no­ho z nej­pres­tiž­něj­ších vě­dec­kých ča­so­pi­sů v ob­las­ti ro­bo­ti­ky.

Pro za­jiš­tě­ní ply­nu­lé­ho a při­ro­ze­né­ho po­hy­bu ro­bo­ta vědci mimo jiné zkou­ma­li ki­ne­ma­ti­ku lid­ské­ho po­hy­bu, na­pří­klad z po­hle­du toho, co se děje, když be­re­me do ruky před­mě­ty. Ana­ly­zo­va­né cha­rak­te­ris­ti­ky lid­ské­ho po­hy­bu pak pře­nes­li do al­go­rit­mu, podle něhož se řídí pohyb ro­bo­ta. 

Re­gu­lá­tor Har­mo­ni­ous ovlá­dá horní po­lo­vi­nu těla ro­bo­ta iCub, cel­kem 17 klou­bů na ru­kách a trupu, což je v sou­čas­né ro­bo­ti­ce vůbec nej­vět­ší do­sa­že­ný počet stupňů vol­nos­ti. Al­go­rit­mus je ale obec­ný a je možné ho apli­ko­vat i na vyšší počet klou­bů/mo­to­rů a sen­zo­rů/smys­lů. Ote­ví­rá se tím velký pro­stor pro uplat­ně­ní em­pa­tic­kých ro­bo­tů v re­ál­ném světě a přímé in­ter­ak­ci s oko­lím. Hu­ma­no­i­di budou moci sdí­let pra­cov­ní i obyt­né pro­sto­ry s lidmi, na­pří­klad při do­náš­ce zá­si­lek, so­ci­ál­ních služ­bách při ko­mu­ni­ka­ci či na­pří­klad v do­mác­nos­tech, kde mohou po­stup­ně pře­vzít vy­bra­né úkoly, na­pří­klad při úkli­du, péči o se­ni­o­ry či při spo­le­čen­ském kon­tak­tu.

Další úkoly ro­bo­ti­ků  – při­ro­ze­ný po­hled a chůze ro­bo­ta

Po zvlád­nu­tí při­ro­ze­né­ho po­hy­bu horní po­lo­vi­ny těla ro­bo­ta si sku­pi­na hu­ma­no­id­ní ro­bo­ti­ky sta­no­vi­la další cíl. iCub by si měl osvo­jit schop­nost při­ro­ze­né­ho po­hle­du. Když ana­ly­zu­je­te jeho ak­tu­ál­ní způ­sob, jakým po­zo­ru­je okolí na­pří­klad během ex­pe­ri­men­tu s kar­ta­mi, tak z toho vy­ply­ne, že sle­du­je jen karty na stole, což ne­pů­so­bí při­ro­ze­ně. Běžně člo­věk občas po­hléd­ne i na svého pro­tiv­ní­ka či se po­dí­vá kolem sebe. Cílem je obo­ha­tit stá­va­jí­cí al­go­rit­mus, aby robot do­ká­zal při­ro­ze­ně stří­dat svoje po­hle­dy a pů­so­bil při­tom při­ro­ze­ně­ji než do­po­sud.

Jako sa­mo­stat­né téma je pak chůze ro­bo­ta. V pří­pa­dě iCuba se mu vě­nu­je ja­nov­ský Isti­tu­to Ita­li­a­no di Tec­no­lo­gia, se kte­rým je praž­ská sku­pi­na v úzkém kon­tak­tu.

Vě­dec­ký člá­nek v plném znění je do­stup­ný pro­střed­nic­tvím to­ho­to od­ka­zu.