Почему так трудно ходить?

По крайней мере, на двух ногах. Asimo , один из самых известных гуманоидных роботов, уже способен ходить, хотя, похоже, это не очень стабильно. И это недавний результат.

Насколько я знаю, ноги по сути являются многомерными нелинейными системами, теория их управления находится где-то на границе «очень жестких» и «невозможных».

Но, например, самолеты многомерны и нелинейны, несмотря на это, автопилоты управляют ими достаточно хорошо несколько десятилетий назад. Им достаточно доверия, чтобы доверить им жизнь сотен живых людей.

В чем принципиальная разница, что делает ходьбу такой трудной, а управление самолетом - легким?

Я не уверен, что согласен, что двуногая ходьба намного сложнее, чем управление самолетом. Это зависит от того, как вы на это смотрите.

Многие роботы могут ходить (двуногая ходьба), а многие самолеты трудно контролировать из-за их характеристик полета или условий полета. Роботам легче ходить в хороших условиях. Есть много погодных условий, слишком сложных для того, чтобы управлять многими самолетами. Иногда некоторые из этих самолетов с сотнями людей в них разбиваются из-за этого.

Но давайте сосредоточимся на том, что затрудняет передвижение двуногих в роботах и ​​почему шагающие роботы не у всех дома, так как я думаю, что это ваш настоящий вопрос.

Ходьба требует понимания и реакции на то, как окружающая среда и гравитация будут воздействовать на ваше тело и двигать его. Большинство ходячих роботов измеряют ориентацию всех своих частей и имеют инерционный датчик (например, ваше внутреннее ухо), который сообщает им, как они ориентированы под действием силы тяжести, и поэтому они могут предсказать (и контролировать) влияние силы тяжести на их движение.

Понять, как окружающая среда будет прикладывать к вам силы, сложнее. Ходить по твердой гладкой поверхности легко, потому что вы можете делать предположения о том, на что похож контакт между ступней и полом и каково трение между ними. Многие шагающие роботы имеют датчик силы-крутящего момента на лодыжке, чтобы помочь измерить эти контакты. У некоторых будут контактные датчики на подошве стопы.

Если вы попытаетесь ходить по неровной или неустойчивой поверхности, это станет намного сложнее. Вы больше не можете делать предположения, а вместо этого должны оценивать в реальном времени, каково трение контакта. Это трудно обойтись без правильных датчиков, и если робот был спроектирован с учетом множества предположений об окружающей среде при ходьбе, ему будет трудно в другой среде. Если вы неправильно оценили трение и опору для ног, робот поскальзывается и падает.

Это контакт с ногами ... но, конечно, когда мы перемещаемся в окружающей среде, мы используем свои руки для стабильности, мы можем временно опираться на что-то, и мы сталкиваемся с вещами и оправляемся от этого. Если вы посмотрите на исследования, проводимые в области гуманоидной робототехники, то увидите, что различные проекты исследовали (и в некоторой степени решили) все эти проблемы.

Теперь подумайте о вещах, которые приводят к провалу вашей ходьбы. Небольшая губа, которую вы не видели в дверях, сбьет вас с толку. Шаг, который отличается от других, может споткнуться. Поверхность, на которой вы стоите, разрушается, и вы теряете равновесие. Хорошему шагающему роботу придется воспринимать и контролировать все эти вещи. Поэтому нам нужен не только контроль за ходьбой и контроль за восстановлением исключительных ситуаций, но и хорошие модели восприятия и среды, чтобы предсказать, где нам нужно изменить наш контроль на другой, более подходящий подход.

Проблема становится очень сложной. Это не проблема контроля, это полная система восприятия, планирования, рефлекса и контроля, которая должна быть разработана. Каждый год мы добиваемся прогресса, но все больше необходим прогресс в создании системы со всеми функциями датчиков, синтеза, обработки и приведения в действие, необходимых для хорошей подвижности двуногих в человеческой среде.

Почему так трудно ходить? Если бы мне пришлось выбирать один, я бы сказал, что восприятие - это та область, которая требует большей работы, а не контроля.

Во-первых, вы должны принять во внимание все мощные символы: $

Исследования всегда расходятся с $, и, как известно, трудно получить все необходимое финансирование. Между тем, авиационная промышленность в 2016 году получает прибыль в размере $ 33 млрд. Баррелей. Это огромные деньги для работы и множество причин, чтобы дать ее людям, которые могут создавать автоматизированные системы для наихудших сценариев, таких как неспособность пилота, и т.п.

Там также время. Еще много лет и люди потратили работу на самолетах и ​​оттачивали свою единственную цель - заставить людей двигаться по небу.

Академически это другой набор проблем. Самолеты, как отмечалось, уже долгое время находились в постоянном развитии (относительно пешеходных машин). Все, начиная от шасси и заканчивая контролем тяги и манипуляциями с элеронами, было значительно улучшено и усовершенствовано по модульному принципу; таким образом, это не процесс «с нуля» для автоматизации этих процедур.

Ходьба, однако, возможно, более сложная задача. Во-первых, есть балансировка. Человеческому телу потребовались миллионы и миллионы лет на разработку, и у нас есть вся необходимая механика под кожей, чтобы так или иначе повернуть лодыжку и т. Д. Воспроизвести эту механику достаточно сложно, но научить робота (в надлежащем масштабе времени) ) понять и отреагировать на баланс сложно. Тогда мы добавим к вопросу о местности. Поднявшись по лестнице или по скалистому холму, уравновешивать себя стало еще сложнее. И во время ходьбы вы поднимаете ногу, позволяете себе в основном упасть на несколько дюймов вперед, а затем ловите себя, немедленно балансируя, захватывая точку опоры и уже поднимая вторую ногу.

При этом, я думаю, вы можете пропустить несколько крутых достижений в сфере роботизированной ходьбы, и вы можете быть заинтригованы ЭТОМ видео Boston Dynamics.

Через несколько минут, и вы наверняка увидите масштаб механического и технологического подвига.

Двуногий робот по сути нестабилен - небольшой стук приведет к его падению.

Коммерческий самолет по существу стабилен - небольшой порыв ветра может сбить его с курса, но он будет продолжать лететь в правильном направлении, а не просто падать с неба.

Хотя самолеты с ослабленной стабильностью существуют, но для расслабленной устойчивости ими управляют с помощью довольно сложных автоматизированных систем управления, и даже тогда они не столь нестабильны, как двуногий робот.

Динамическая ходьба

Причина, по которой двуногая ходьба сложнее, заключается в том, что реалистичные физические симуляции, такие как box2d, havok и т. Д., Являются относительно новым понятием в компьютерной истории. Первой широко известной игрой, в которой использовался физический движок, была Angry Birds (2009). Позже появился симулятор QWOP и другие.

Первое исследование было проведено в лаборатории MIT под руководством Марка Райберта. Он не только создал одноногого робота, но и создал компьютерную анимацию, которая полностью соответствует требованиям SIGGRAPH 1991. Позднее Boston Dynamics также впервые разработала физическое моделирование в новом алгоритме. Первым игровым движком для потребительского рынка, который поддерживал ходячих персонажей, была NaturalMotion Euphoria, которая была запрограммирована примерно в 2000 году. В свое время компьютерное оборудование было недостаточно быстрым, чтобы моделировать физику в реальном времени. Двуногий контроллер поверх физического движка можно изобрести, только если симуляция работает достаточно быстро.

Автопилоты в самолетах

Просто неправильно, что автопилоты для самолетов существуют или что они способны посадить Boeing A380. Даже нынешним военным беспилотникам, таким как X-47B, для посадки нужен человек-в-петле ( Уроки, извлеченные во время опытных испытаний самолета x-47b, стр. 21 «Операторы миссии работали напрямую с программистами для разработки / проверки плана»). Только во вселенной steam-punk автономные самолеты доступны и работают достаточно хорошо.