機(jī)器人能搬運(yùn)起重量達(dá)1t的汽車，能分辨出±0.02mm的精度，這些都是人類做不到的，我們編程的時(shí)候卻往往存在誤區(qū)，想要機(jī)器人模仿人類的動(dòng)作，但更應(yīng)該想的是通過算法簡化和優(yōu)化人類的動(dòng)作，并讓機(jī)器人去做。
例如如果你在桌子旁拿著筆或鉛筆，試試這個(gè)動(dòng)作：用拇指和食指抓住筆的一端，另一端抵著桌子。把你的手指滑下鋼筆，然后把它翻過來，不要讓它掉下來，這不太難吧？但是對于一個(gè)機(jī)器人來說，通過容器來分揀一個(gè)物體并試圖抓取其中的一個(gè)，這是一個(gè)計(jì)算繁瑣的動(dòng)作。甚至在機(jī)器學(xué)習(xí)中，機(jī)器人嘗試移動(dòng)之前，庫卡機(jī)器人，它都必須根據(jù)物理基本定律計(jì)算一系列特性和概率，例如工作臺(tái)，筆及其兩個(gè)手指的摩擦和幾何形狀，以及這些特性的各種組合如何機(jī)械地相互作用。
現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師想辦法打破了這一物理的算法局限，他們已經(jīng)找到了一種方法，可以通過將物體推向靜止表面來顯著加快機(jī)器人調(diào)整其對物體的抓握力所需的計(jì)劃過程，傳統(tǒng)算法需要數(shù)十分鐘來計(jì)劃一系列動(dòng)作，而新團(tuán)隊(duì)的方法將這一預(yù)計(jì)劃過程縮短到不到一秒鐘。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授阿爾貝托·羅德里格斯（alberto rodriguez）表示，更快的規(guī)劃過程將使機(jī)器人更具效率，特別是在工業(yè)環(huán)境中，能夠快速找出如何推動(dòng)、滑動(dòng)的方法，或者在其環(huán)境中使用其他功能來重新定位所掌握的物體能應(yīng)用在很多場合。
這種靈活的操作對于任何涉及挑選和排序，甚至復(fù)雜工具使用的任務(wù)時(shí)都是非常有用的。Rodriguez（羅德里格斯）說：“這是一種擴(kuò)展，KUKA機(jī)器人示教器維修，甚至簡單的機(jī)械手的靈活性的方法，因?yàn)闅w根結(jié)底，機(jī)器人與人類并不一樣，他們的可應(yīng)用能力也不同。”該小組的結(jié)果17日在國際機(jī)器人研究雜志（The international Journal of Robotics Research）上發(fā)表 。Rodriguez的合著者是機(jī)械工程研究生Nikhil Chavan-Dafle和電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生Rachel Holladay。
錐中的物理學(xué)
Rodriguez的團(tuán)隊(duì)一開始致力于使機(jī)器人能夠利用其環(huán)境來幫助他們完成物理任務(wù)，例如在垃圾箱中拾取和分類物體。但現(xiàn)有算法通常需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)來為機(jī)器人抓取器預(yù)先計(jì)劃一系列動(dòng)作，這主要是因?yàn)椋瑢τ谒紤]的每個(gè)動(dòng)作，該算法必須首先計(jì)算該動(dòng)作是否滿足許多物理定律，例如牛頓定律和庫侖定律，還有些描述物體之間摩擦力的定律。
羅德里格斯說：“整合所有這些定律，考慮機(jī)器人可以做所有可能的運(yùn)動(dòng)，而從中選擇一個(gè)有用的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)繁瑣的計(jì)算過程。”他和他的同事們在決定機(jī)器人手的運(yùn)動(dòng)方式之前，找到了一種解決這些物理問題的緊湊方法。他們通過使用“運(yùn)動(dòng)錐”來做到這一點(diǎn)，“運(yùn)動(dòng)錐”本質(zhì)上是可視的錐形摩擦圖。
這種新的算法可以加快機(jī)器人抓爪的規(guī)劃過程。如圖所示，實(shí)驗(yàn)室中的一個(gè)機(jī)器人撿起了印刷體字母T，然后將其推向附近的墻壁以使其重新傾斜，然后再將其放回垂直位置。
圖片來源：麻省理工學(xué)院
圓錐體的內(nèi)部描繪了可以在特定位置應(yīng)用于對象的所有推動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滿足了物理基本定律并使機(jī)器人能夠握住對象。圓錐體外部的空間代表了所有推動(dòng)，這些推動(dòng)將以某種方式導(dǎo)致物體滑出機(jī)器人的抓地力。
Holladay解釋說：“看似簡單的變化，例如機(jī)器人如何抓緊物體，可以大大改變物體在被推動(dòng)時(shí)在抓握中的移動(dòng)方式。” “根據(jù)您的抓緊程度，會(huì)有不同的動(dòng)作，這是該算法處理的物理推理的一部分。”團(tuán)隊(duì)的算法依據(jù)抓取的物體以及要抓握的環(huán)境之間的不同可能，為機(jī)器人抓取器配置計(jì)算運(yùn)動(dòng)錐，以便選擇并按順序排列不同的可行推擠對象。Holladay說：“這是一個(gè)復(fù)雜的過程，但仍比傳統(tǒng)方法要快得多，它的速度足夠快，機(jī)器人維修，以至于計(jì)劃整個(gè)系列的推送僅需半秒鐘。”這體現(xiàn)在機(jī)器人的某些操作更加流暢。
大計(jì)劃
研究人員在具有三向交互作用的物理設(shè)置上測試了該新算法，其中一個(gè)簡單的機(jī)器人抓手握住一個(gè)T形塊并推向垂直桿。他們使用了多種啟動(dòng)配置，機(jī)器人將滑塊固定在特定位置，并以一定角度將滑塊推向拉桿。對于每個(gè)啟動(dòng)配置，該算法立即生成機(jī)器人可以施加的所有可能力的地圖和將產(chǎn)生的塊的位置。
Holladay說：“我們進(jìn)行了數(shù)千次推動(dòng)，以驗(yàn)證我們的模型正確地預(yù)測了現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生的事情。” “如果我們在圓錐體內(nèi)部施加推力，則所握住的物體應(yīng)保持受控。如果在外部，則物體應(yīng)從握持中滑脫。”研究人員發(fā)現(xiàn)，該算法的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)室中的物理結(jié)果可靠地匹配，并計(jì)劃了一系列動(dòng)作（例如，在將木塊以直立位置放到桌子上之前，將木塊靠著木條重新定向），與傳統(tǒng)算法需要花費(fèi)500秒鐘以上的時(shí)間來計(jì)劃。
Rodriguez說：“由于我們可以緊湊地展示出機(jī)器人，物體及其環(huán)境之間的這種三向交互的機(jī)制，因此我們現(xiàn)在可以應(yīng)對更多的規(guī)劃問題。”該小組希望應(yīng)用并擴(kuò)展其方法，以使機(jī)器人抓手能夠處理不同類型的工具，例如在制造環(huán)境中的更多場景。
Holladay說：“大多數(shù)使用工具的工廠機(jī)器人的手都是經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的，因此，它們沒有能力握住螺絲刀并以許多不同的方式來使用它，而是將手變成了螺絲刀。” “您可以想象這不需要那么靈巧的計(jì)劃，但是它的物理局限性更大，我們希望研究人員能大破大門的觀念，讓機(jī)器人能夠使用并拾取更多不同的東西。”