Innowacyjne rozwiązanie zapobiegające kolizjom robotów
CanvaZanim robot nakryje stół, musi bezpiecznie sięgnąć po naczynia z półki. Aby uniknąć stłuczenia delikatnej porcelany, robot planuje swoją trasę, sprawdzając czy jego ramię i chwytak nie zderzą się z przeszkodami. Niestety, systemy planowania ruchu nie zawsze są idealne. Czasami robot może błędnie ocenić, że jego trasa jest bezpieczna, co może prowadzić do kolizji. Szybkie i jednocześnie dokładne metody unikania takich błędów są wciąż przedmiotem badań.
Naukowcy z MIT opracowali nowatorską metodę weryfikacji bezpieczeństwa robotów mobilnych, która pozwala z 100% pewnością stwierdzić, że robot współpracujący porusza się bezpiecznie (pod warunkiem że obszar pracy robota dokładnie określony). Ta niezwykle precyzyjna metoda, zdolna rozróżnić trajektorie różniące się zaledwie o milimetry, generuje formalny dowód matematyczny w zaledwie kilku sekundach. Co istotne, każdy może zweryfikować ten dowód samodzielnie, wykorzystując stosunkowo proste narzędzia matematyczne.
Naukowcy osiągnęli ten rezultat dzięki zastosowaniu specjalistycznej techniki opartej na programowaniu sumy kwadratów, którą dostosowali do wymagań problemu kontroli bezpieczeństwa.
Technika ta jest szczególnie użyteczna dla robotów poruszających się szybko w zatłoczonych środowiskach, takich jak kuchnie przemysłowe, gdzie konieczne jest unikanie kolizji. Jest również idealna do zastosowań, w których kolizje mogą prowadzić do obrażeń, jak w przypadku robotów domowych opiekujących się osobami starszymi.
– Dzięki tej pracy pokazaliśmy, że można rozwiązywać trudne problemy za pomocą koncepcyjnie prostych narzędzi. Programowanie sumy kwadratów jest potężnym pomysłem algorytmicznym i chociaż nie rozwiązuje każdego problemu, to jeśli jesteś ostrożny w jego stosowaniu, możesz rozwiązać kilka nietrywialnych problemów – mówi Alexandre Amice, student inżynierii elektrycznej i informatyki (EECS) i główny autor artykułu na temat tej techniki.
Do Amice'a dołączyli również Peter Werner, inny absolwent EECS, oraz Russ Tedrake, doświadczony badacz i profesor Toyota EECS, aeronautyki i astronautyki oraz inżynierii mechanicznej, będący jednocześnie członkiem CSAIL.
Nowa metoda certyfikacji dla robotów mobilnych
Obecnie wiele metod unikania kolizji przez roboty polega na okresowej symulacji ich trajektorii. Choć takie podejście jest skuteczne w otwartych przestrzeniach, to w środowiskach o dużej gęstości przeszkód oraz podczas wykonywania precyzyjnych zadań, sprawdzanie trajektorii co kilka sekund może prowadzić do pominięcia potencjalnych kolizji. W takich przypadkach konieczne jest zastosowanie bardziej zaawansowanych technik, zapewniających ciągłą ocenę bezpieczeństwa ruchu robota.
Koncepcyjnie, jednym ze sposobów na udowodnienie, że robot nie zmierza w kierunku kolizji, byłoby trzymanie kawałka papieru, który oddziela robota od wszelkich przeszkód w otoczeniu. Matematycznie, ten kawałek papieru nazywany jest hiperpłaszczyzną. Wiele algorytmów kontroli bezpieczeństwa działa poprzez generowanie tej hiperpłaszczyzny w jednym punkcie w czasie. Jednak za każdym razem, gdy robot się porusza, konieczne jest ponowne obliczenie nowej hiperpłaszczyzny w celu przeprowadzenia kontroli bezpieczeństwa.
Zamiast tego nowa technika generuje funkcję hiperpłaszczyzny, która porusza się wraz z robotem, dzięki czemu może udowodnić, że cała trajektoria jest wolna od kolizji, zamiast pracować z jedną hiperpłaszczyzną na raz.
Naukowcy wykorzystali programowanie sumy kwadratów, algorytmiczny zestaw narzędzi, który może skutecznie przekształcić statyczny problem w funkcję. Funkcja ta jest równaniem, które opisuje, gdzie hiperpłaszczyzna musi znajdować się w każdym punkcie zaplanowanej trajektorii, aby pozostała ona bezkolizyjna.
Suma kwadratów może uogólnić program optymalizacyjny w celu znalezienia rodziny bezkolizyjnych hiperpłaszczyzn. Suma kwadratów jest często uważana za ciężką optymalizację, która nadaje się tylko do użytku offline, ale naukowcy wykazali, że w przypadku tego problemu jest ona niezwykle wydajna i dokładna.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– Kluczem do sukcesu było znalezienie sposobu na zastosowanie metody sumy kwadratów w naszym konkretnym problemie. Największym wyzwaniem było wymyślenie wstępnego sformułowania. Jeśli nie chcę, by mój robot na coś wpadł, co to oznacza matematycznie i czy komputer może dać mi odpowiedź? – mówi Amice.
Ostatecznie, jak sama nazwa wskazuje, suma kwadratów tworzy funkcję, która jest sumą kilku wartości podniesionych do kwadratu. Funkcja ta jest zawsze dodatnia, ponieważ kwadrat dowolnej liczby jest zawsze wartością dodatnią.
Weryfikacja bezpieczeństwa robotów
– Poprzez podwójne sprawdzenie, czy funkcja hiperpłaszczyzny zawiera wartości podniesione do kwadratu, człowiek może łatwo zweryfikować, że funkcja jest dodatnia, co oznacza, że trajektoria jest bezkolizyjna – wyjaśnia Amice.
Chociaż metoda ta zapewnia doskonałą dokładność, zakłada to, że użytkownik ma dokładny model robota i środowiska; matematyczny weryfikator jest tylko tak dobry, jak model.
– Jedną z naprawdę fajnych rzeczy w tym podejściu jest to, że dowody są naprawdę łatwe do zinterpretowania, więc nie musisz mi ufać, że dobrze to zakodowałem, ponieważ możesz to sprawdzić samodzielnie – dodaje Amice.
Swoją technikę przetestowali w symulacji, potwierdzając, że złożone plany ruchu dla robotów z jednym i dwoma ramionami były wolne od kolizji. W najwolniejszym momencie ich metoda potrzebowała zaledwie kilkuset milisekund na wygenerowanie dowodu, co czyni ją znacznie szybszą niż niektóre alternatywne techniki.
– Ten nowy wynik sugeruje nowatorskie podejście do certyfikacji, że złożona trajektoria manipulatora robota jest wolna od kolizji, elegancko wykorzystując narzędzia optymalizacji matematycznej, przekształcone w zaskakująco szybkie (i publicznie dostępne) oprogramowanie. Choć nie jest to jeszcze kompletne rozwiązanie do szybkiego planowania trajektorii w zagraconym środowisku, wynik ten otwiera drzwi do kilku intrygujących kierunków dalszych badań – mówi Dan Halperin, profesor informatyki na Uniwersytecie w Tel Awiwie, który nie był zaangażowany w te badania.
– Chociaż ich podejście jest wystarczająco szybkie, aby można je było wykorzystać jako ostateczną kontrolę bezpieczeństwa w niektórych rzeczywistych sytuacjach, jest ono nadal zbyt wolne, aby można je było wdrożyć bezpośrednio w pętli planowania ruchu robota, gdzie decyzje muszą być podejmowane w mikrosekundach – mówi Amice.
Potencjał i przyszłość technologii
Naukowcy planują przyspieszyć swój proces, ignorując sytuacje, które nie wymagają kontroli bezpieczeństwa, na przykład gdy robot znajduje się daleko od obiektów, z którymi może się zderzyć. Chcą również poeksperymentować ze specjalistycznymi rozwiązaniami optymalizacyjnymi, które mogłyby działać szybciej.
– Roboty często wpadają w kłopoty, zdrapując przeszkody z powodu słabych przybliżeń dokonywanych podczas generowania tras. Amice, Werner i Tedrake przybyli na ratunek z nowym, potężnym algorytmem, aby szybko zapewnić, że roboty nigdy nie przekroczą swoich granic, starannie wykorzystując zaawansowane metody obliczeniowej geometrii algebraicznej – dodaje Steven LaValle, profesor na Wydziale Informatyki i Inżynierii Elektrycznej Uniwersytetu w Oulu w Finlandii, który nie był zaangażowany w tę pracę.
Prace te były częściowo wspierane przez Amazon i Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych.
Źródło: Massachusetts Institute of Technology
