哥倫比亞大學(xué):高度靈巧的機(jī)器人手可以在黑暗中操作 - 就像我們一樣
哥倫比亞工程師設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人手，這是同類產(chǎn)品中個(gè)將觸覺與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)算法相結(jié)合的設(shè)備——它不依賴視覺來操縱物體。
想想當(dāng)你晚上在家按下電視遙控器上的按鈕時(shí)，或者在餐廳使用各種餐具和玻璃器皿時(shí)，你用手做什么。這些技能都是基于觸摸，當(dāng)你在看電視節(jié)目或從菜單中選擇一些東西時(shí)。我們的手和手指是非常熟練的機(jī)制，對(duì)靴子非常敏感。
機(jī)器人研究人員長(zhǎng)期以來一直試圖在機(jī)器人手中創(chuàng)造“真正”的靈巧性，但令人沮喪的是，這個(gè)目標(biāo)一直難以實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人抓手和吸盤可以拾取和放置物品，但更靈巧的任務(wù)，如組裝、插入、重新定向、包裝等。一直停留在人類操縱的領(lǐng)域。然而，在傳感技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)處理傳感數(shù)據(jù)的推動(dòng)下，機(jī)器人操縱領(lǐng)域正在迅速變化。
高度靈巧的機(jī)器人手甚至可以在黑暗中工作
哥倫比亞工程學(xué)院的研究人員展示了一種高度靈巧的機(jī)器人手，它將先進(jìn)的觸覺與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高水平的靈巧性。
為了展示技能，該團(tuán)隊(duì)選擇了一項(xiàng)困難的操作任務(wù)：對(duì)手中形狀不均勻的抓取物體執(zhí)行任意大的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)始終將物體保持在穩(wěn)定、安全的固定狀態(tài)。這是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)，因?yàn)樗枰粩嘀匦露ㄎ灰徊糠质种福渌种副仨毐３治矬w穩(wěn)定。手不僅能夠執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)，而且完全基于觸摸感應(yīng)，而且沒有任何視覺反饋。
除了新的靈巧度之外，這只手在沒有任何外部攝像頭的情況下工作，因此不受照明、遮擋或類似問題的影響。事實(shí)上，手不依賴視覺來操縱物體，這意味著它可以在非常困難的照明條件下這樣做，這會(huì)混淆基于視覺的算法 - 它甚至可以在黑暗中操作。
“雖然我們的演示是概念驗(yàn)證任務(wù)，旨在說明手的能力，但我們相信這種靈巧程度將為現(xiàn)實(shí)世界中的機(jī)器人操作開辟全新的應(yīng)用，”機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授Matei Ciocarlie說。.“一些更直接的用途可能是物流和材料處理，有助于緩解近年來困擾我們經(jīng)濟(jì)的供應(yīng)鏈問題，以及工廠的先進(jìn)制造和組裝。
利用基于光學(xué)的觸覺手指
在早期的工作中，Ciocarlie的小組與電氣工程教授Ioannis Kymissis合作，開發(fā)了新一代基于光學(xué)的觸覺機(jī)器人手指。這是個(gè)以亞毫米級(jí)精度實(shí)現(xiàn)接觸定位的機(jī)器人手指，同時(shí)提供對(duì)復(fù)雜多曲面的完全覆蓋。此外，緊湊的封裝和手指的低線數(shù)允許輕松集成到完整的機(jī)器人手中。
在CIocarlie的博士研究員Gagan Khandate領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)新工作中，研究人員設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)有五個(gè)手指和15個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人手 - 每個(gè)手指都配備了團(tuán)隊(duì)的觸摸傳感技術(shù)。下一步是測(cè)試觸覺手執(zhí)行復(fù)雜操作任務(wù)的能力。為此，他們使用了新的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)方法，或者機(jī)器人通過練習(xí)學(xué)習(xí)新的物理任務(wù)的能力。特別是，他們使用了一種稱為深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法，并增強(qiáng)了他們開發(fā)的新算法，以有效探索可能的運(yùn)動(dòng)策略。 運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)算法的輸入完全由團(tuán)隊(duì)的觸覺和本體感覺數(shù)據(jù)組成，沒有任何視覺。使用模擬作為訓(xùn)練場(chǎng)，由于現(xiàn)代物理模擬器和高度并行的處理器，機(jī)器人在幾個(gè)小時(shí)的實(shí)時(shí)時(shí)間內(nèi)完成了大約一年的練習(xí)。然后，研究人員將這種在模擬中訓(xùn)練的操作技能轉(zhuǎn)移到真正的機(jī)器人手上，這能夠達(dá)到團(tuán)隊(duì)希望的靈巧程度。Ciocarlie指出，“該領(lǐng)域的定向目標(biāo)仍然是家庭中的輔助機(jī)器人，這是真正靈巧的終試驗(yàn)場(chǎng)。在這項(xiàng)研究中，我們已經(jīng)證明，僅基于觸摸感應(yīng)，機(jī)器人手也可以非常靈巧。一旦我們還將視覺反饋與觸摸一起添加到混合中，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)更多的靈巧性，并有開始接近人手的復(fù)制。 終，Ciocarlie觀察到，在現(xiàn)實(shí)世界中有用的物理機(jī)器人需要抽象的語義智能（從概念上理解世界是如何運(yùn)作的）和具身智能（與世界進(jìn)行物理交互的技能）。OpenAI的GPT-4或Google的Palm等大型語言模型旨在提供前者，而本研究中實(shí)現(xiàn)的操作靈活性代表了后者的互補(bǔ)進(jìn)步。 例如，當(dāng)被問及如何制作三明治時(shí)，ChatGPT 會(huì)輸入一個(gè)分步計(jì)劃作為回應(yīng)，但需要一個(gè)靈巧的機(jī)器人來執(zhí)行該計(jì)劃并實(shí)際制作三明治。同樣，研究人員希望物理熟練的機(jī)器人能夠?qū)⒄Z義智能從純粹的虛擬互聯(lián)網(wǎng)世界中取出，并將其很好地用于現(xiàn)實(shí)世界的物理任務(wù)，甚至可能在我們的家中。教手執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)
機(jī)器人在幾個(gè)小時(shí)的實(shí)時(shí)時(shí)間內(nèi)完成了大約一年的練習(xí)
終目標(biāo)：將抽象智能與具身智能相結(jié)合
