Milleks on robotile vaja kätt, mis elab oma elu

Šveitsi labori mehaaniline käsi õppis operaatori käskluste peale sõrmeotstel liikuma, pärast kukkumist püsti tõusma ja klaviatuuri nuppe vajutama. Vaatepilt meenutab "Asja" (Thing) "Addamsite suguvõsast", kuid teadlased tahavad sellist kätt kasutada märksa praktilisemalt: saata see sinna, kuhu roboti korpus ei mahu.

Ekraanitõmmis: ScienceAlert

Robotitehnoloog Robert Katzschmann rääkis, et tulevikus saab robot saata käe ruumi, kuhu tema keha ei mahu, et vaadata üle objekt, kasutada juhtimisseadet või liigutada eset ning seejärel käsi tagasi tuua.

ETH Zürichi teadlased võtsid kaubanduslikult kättesaadava robotkäe WUJI ega hakanud selle sõrmi ümber tegema. Sellele lisati aku, väike arvuti ja liikumisandur. Kogu konstruktsioon kaalub 818 grammi ning elektroonika ja toiteallikas on kinnitatud käeseljale.

Käsi seisab sõrmeotstel, seljal on tal aku, arvuti ja liikumisandur. Foto: ETH Zurich / Soft Robotics Lab / ScienceAlert

Miks sõrmedel kõndimine osutus keeruliseks

Kui panna tavaline käsi sõrmeotstega lauale ja tõsta üks sõrm, säilitavad ülejäänud tasakaalu. Robotkäsi peab tegema sama, kuid samal ajal hoidma kogu oma raskust ja liigutama toetuspunkti.

„Sõrmed on eri pikkusega ja pöial asub küljel, mistõttu kõndimine on kohmpakas,“ selgitas töö esimene autor, doktorant Amirhossein Kazemipour. Lisaks peab käsi säilitama stabiilsuse esemetega kokkupuute ajal.

Robotkäed oskavad juba sooritada peenoperatsioone, kuid tavaliselt toimetab need vajalikku kohta manipulaator. Selles projektis pidid samad sõrmed tagama üheaegselt nii liikumise kui ka toetuse ning suhtlema esemetega.

Esmalt harjutati liigutusi arvutisimulatsioonis tugevdusõppe (reinforcement learning) abil. Määratud suunas edasiliikumise eest andis programm punkte, ebasoovitavate tegevuste, näiteks tugeva kõikumise eest aga vähendas hinnet. Pärast arvukaid katseid õppis süsteem valima tegevusi, mis andsid parima tulemuse.

Eri pikkusega sõrmede jaoks määrasid teadlased algasendid, mis vastavad käe loomulikule poosile. Nendest kõrvalekaldumine vähendas preemiat, kuid liikumissuunas jäeti rohkem vabadust. Tänu sellele leidis programm toimiva kõnnaku, saamata iga sammu jaoks üksikasjalikku juhist.

Seejärel mõõtsid teadlased, kuidas liigesed reageerivad käsklustele ja kuidas sõrmeotsad pinnal libisevad. Need andmed aitasid kanda liigutused simulatsioonist üle päris käele. „Võtmeks sai õppimine käe kuju arvestades ja simulatsiooni hoolikas kooskõlastamine reaalse seadmega,“ ütles Kazemipour.

Puitpõrandast kruusani

Demonstratsioonide ajal roomas käsi üle 14 tüüpi pinna. Nende hulgas olid puitpõrand, metallvõre, muru ja kruus. Operaator määras suuna mängukontrolleri abil ning sisseehitatud programm koordineeris ise sõrmede liikumist ja tasakaalu hoidmist. Kaameraid selleks ei kasutatud.

Katsetes matil liikus käsi keskmise kiirusega 9,3 sentimeetrit sekundis. Selline tulemus saadi 21 läbimisel. Teadlased õpetasid sellele ka iseseisvalt pärast kukkumist püsti tõusmist: see õnnestus 21 katsel 25-st. Neljal ebaõnnestunud juhul takerdusid sõrmed üksteise taha.

Pärast seda kontrollisid teadlased, kas üks sõrm saab pinnast lahti tulla ja täita eraldi ülesannet. 29-l juhul 32-st järjestikusest käsklusest vajutas käsi klaviatuuril õiget nooleklahvi.

Oskust kasutati mängus Sokoban, kus tuleb mänguväljal kaste liigutada. Inimene valis käigud ja robotkäsi sisestas need klaviatuurilt ilma visuaalse tagasisideta.

Päris esemega töötamiseks oli vaja teist süsteemi. Tööala kohal asuv kaamera jälgis käe ja kuubiku asukohta. Neid andmeid saades lähenes käsi kuubikule ja lükkas selle sihtmärgi poole, säilitades tasakaalu.

Mida robot veel ei oska

Iga oskuse jaoks lõid teadlased eraldi kontrolleri. Järgmine samm on ühendada need pikkadeks tegevusjadadeks, tõsta töökindlust ja varustada käsi oma nägemisega.

Välitingimustes toimuvad demonstratsioonid ei näita veel, kui stabiilselt see tundmatul maastikul liigub. Tuleviku eesmärkideks jäävad käe automaatne lahtiühendamine suurest robotist ja selle hilisem tagasiühendamine.

Robotkäsi kõnnib õues kivist parapetil, kandes oma akut ja arvutit. Foto: ETH Zurich / Soft Robotics Lab / ScienceAlert

Katzschmanni sõnul võivad käele tulevikus marjaks ära kuluda lihastega sarnanevad mehhanismid. Need võimaldaksid muuta konstruktsiooni jäikust ja suhelda esemetega pehmemalt. Praegu on robot omandanud vaid osa liigutustest, mis on vajalikud oma manipulaatori piiridest väljumiseks.

Töö on avaldatud eeltrükina platvormil arXiv ja ei ole veel läbinud retsenseerimist.