南加州大學(xué)開發(fā)訓(xùn)練機(jī)器人組裝的模擬系統(tǒng)

時(shí)間：2019-12-04來源：Wired

導(dǎo)語：繼去年一群機(jī)器人學(xué)家用機(jī)械手臂組裝了經(jīng)典的Stefan椅子后，南加大的研究人員們又向機(jī)器人學(xué)界贈(zèng)送了一份大禮——一個(gè)新的模擬系統(tǒng)，用來訓(xùn)練機(jī)器人組裝這些低成本家具。他們的*終目標(biāo)是讓機(jī)器人更好地應(yīng)對(duì)新事物，達(dá)到接近人類的靈活性和適應(yīng)性。

        為了訓(xùn)練機(jī)器隨機(jī)應(yīng)變、適應(yīng)真實(shí)環(huán)境的能力，南加州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)模擬器，能訓(xùn)練機(jī)器人拼裝宜家家具。如果你覺得親手組裝家具不太難的話，就試試去調(diào)教這些機(jī)器人吧！

        圖片來源：南加州大學(xué)

        對(duì)那些次搬進(jìn)公寓的人們而言，按一堆神秘的圖紙組裝出宜家家具而確保它不散架，同時(shí)保持自己情緒穩(wěn)定，已經(jīng)成為了不折不扣的重大儀式。

        但是，對(duì)于南加州大學(xué)（UniversityofSouthernCalifornia）的研究人員們而言，還有比這更好的折磨機(jī)器人、使它們學(xué)會(huì)面對(duì)現(xiàn)實(shí)的方式嗎？繼去年一群機(jī)器人學(xué)家用機(jī)械手臂組裝了經(jīng)典的Stefan椅子后，南加大的研究人員們又向機(jī)器人學(xué)界贈(zèng)送了一份大禮——一個(gè)新的模擬系統(tǒng)，用來訓(xùn)練機(jī)器人組裝這些低成本家具。他們的*終目標(biāo)是讓機(jī)器人更好地應(yīng)對(duì)新事物，達(dá)到接近人類的靈活性和適應(yīng)性。

        努力工作的單臂機(jī)器人“Sawyer”

        圖片來源：南加州大學(xué)

        對(duì)于你我來說，組裝宜家家具既簡單又困難。組裝過程漫長而令人厭煩，但它同時(shí)也是一件簡單的事兒，因?yàn)槿祟惼婷畹拇竽X總能將抽象的圖紙轉(zhuǎn)換為實(shí)物。在組裝過程中，你會(huì)遇到各種問題，但你的創(chuàng)造力能輕易解決它們；長時(shí)間使用六角扳手會(huì)累到你手抽筋，但人類的動(dòng)手能力仍是無可比擬的。

        而對(duì)機(jī)器人來說，組裝宜家家具完全是地獄級(jí)難度。是的，機(jī)器人已經(jīng)在裝配線上工作了幾十年了，但它們只是負(fù)責(zé)體力活兒的“肌肉”。例如，它們只負(fù)責(zé)把車門之類的大部件抬到合適位置，擰入小零件等精細(xì)活兒始終由人類完成。此外，機(jī)器人的工作環(huán)境受到高度限制，即使它們足夠聰明，也永遠(yuǎn)不需要即興發(fā)揮，因?yàn)樗鼈兊牟豢深A(yù)測(cè)性可能使人類同事處于危險(xiǎn)之中。

        如果希望機(jī)器人在我們的家庭中有所用途，它們就必須變得更靈活。為了達(dá)到這個(gè)目的，或許需要用一些復(fù)合場景對(duì)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練，比如安裝宜家家具。

        南加大的研究人員們通過模擬真實(shí)物理世界中的重力、摩擦力，使用不同的燈光、紋理渲染，建立了他們的三維數(shù)字游樂場。在這個(gè)環(huán)境中，你可以選擇不同的機(jī)器人，比如單臂的Sawyer和雙臂的Baxter，然后操縱它們拼裝80多件椅子、桌子、書架等家具。所有的場景都是由游戲引擎Unity渲染的，機(jī)器人的點(diǎn)滴進(jìn)步都能被看到。

        多種光照、紋理和背景可供選擇

        圖片來源：南加州大學(xué)

        但是，Sawyer和Baxter都是真實(shí)存在的機(jī)器人，可以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)地學(xué)習(xí)，為什么還要費(fèi)勁做個(gè)模擬器呢？這是因?yàn)橛?xùn)練一個(gè)真實(shí)的、由金屬和塑料制成的機(jī)器人不是一件容易的事兒�，F(xiàn)實(shí)中，對(duì)機(jī)器人的訓(xùn)練往往是通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)行的，機(jī)器人嘗試用不同的方法解決問題，若此方法有一定的效果則給予獎(jiǎng)勵(lì)，反之則予以懲罰，循環(huán)往復(fù)。機(jī)器人雖然能摸索出正確的問題解決方法，但是整個(gè)過程極其耗時(shí)，而在模擬系統(tǒng)中訓(xùn)練機(jī)器人的速度遠(yuǎn)比現(xiàn)實(shí)中快得多。

        這款宜家游樂園一般的模擬系統(tǒng)為研究人員提供了一個(gè)訓(xùn)練機(jī)器人操作、組裝復(fù)雜物體的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。“雖然對(duì)人類來說‘抓握’只是個(gè)微不足道的動(dòng)作，但對(duì)機(jī)器人來說，它必須精確知道在哪里抓物品，用多大的力抓住物品，”曾幫助開發(fā)該系統(tǒng)的南加州大學(xué)機(jī)器人專家約瑟夫?里姆（JosephLim）說，“即使是掌握抓握技能，對(duì)機(jī)器人來說也是一個(gè)非常大的開放性問題。”

        另外，要搭建一把椅子，零件必須以一定的方式組合，步驟也必須以一定的順序執(zhí)行，如何讓機(jī)器人把一系列的操作串聯(lián)起來也是一個(gè)問題。為此，研究人員可能會(huì)使用“模仿學(xué)習(xí)”的方法，即先給機(jī)器人演示如何搭一把椅子，再讓機(jī)器人進(jìn)行模仿。里姆說：“我們的目標(biāo)是研究如何讓機(jī)器人學(xué)習(xí)人類的行為。我們可以通過視頻等方式讓機(jī)器人觀察人類行為，再讓它進(jìn)行重復(fù)或模仿。”

        努力工作的雙臂機(jī)器人“Bexter”

        圖片來源：南加州大學(xué)

        不過，別指望你的機(jī)器人助理可以直接把裝好的辦公椅帶到你的辦公室來。首先，這個(gè)系統(tǒng)還不能模擬用釘子或螺釘把部件連接起來的操作。其次，曾用真實(shí)機(jī)器人組裝了宜家椅子的南洋理工大學(xué)工程師彭匡聰（音，Quang-CuongPham）認(rèn)為這個(gè)模擬系統(tǒng)仍然面臨從模擬到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)化問題。也就是說，將機(jī)器人在模擬中所學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的技能是極其困難的。彭匡聰說：“一項(xiàng)在模擬環(huán)境中成功完成的任務(wù)是否能像我們之前做的那樣，由一臺(tái)真實(shí)的機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界里完成？這是目前尚不清楚的。”

        圖片來源：南洋理工大學(xué)

        研究DOI:10.1126/scirobotics.aat6385

        但是，也許再經(jīng)過幾年時(shí)間，再犧牲一些椅子，人類搭家具的痛苦就將是機(jī)器人的收獲。

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