精品文檔-下載后可編輯一種基于深度學(xué)習(xí)和物理模擬的機器人折紙方法-設(shè)計應(yīng)用

為了處理不同的現(xiàn)實世界任務(wù)，機器人應(yīng)該能夠處理和操縱各種物體和材料，包括紙張。雖然機器人已經(jīng)成功地提高了類人機器人或機器人抓手處理多種材料的能力，但折紙仍然是機器人社區(qū)中一個很少探索的話題。

加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的一個研究團隊近創(chuàng)建了一個新的計算框架，允許機器人處理折紙和東方折紙藝術(shù)。該框架在arXiv上預(yù)發(fā)表的一篇論文中介紹，將深度學(xué)習(xí)算法與物理模擬相結(jié)合?！半m然在可變形材料處理方面已經(jīng)有相當(dāng)多的機器人研究，但紙張的操縱一直是一個相對未被探索的話題，盡管紙張在日常生活中無處不在，”進行這項研究的兩位研究人員德中通和安德魯蔡說，告訴TechXplore。“關(guān)于這個主題的兩項相關(guān)的研究是由芬蘭阿爾托大學(xué)和德國比勒費爾德大學(xué)的研究團隊進行的。項涉及比紙張更容易操作的織物，而第二項則側(cè)重于折疊紙，但開發(fā)了一個復(fù)雜的機器人系統(tǒng)，涉及計算繁重的類人操縱器。”Tong、Choi和他們的同事近開展的工作是由于缺乏直接有效的機器人折紙系統(tǒng)。因此，該團隊的主要目標(biāo)是創(chuàng)建一個簡單但有前途的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用單個機器人操縱器折疊紙張。研究人員提出的機器人控制策略從物理角度“教”機器人行為，使它們能夠更好地處理涉及物理洞察力操縱的任務(wù)。更具體地說，該團隊在涉及紙張折疊物理模擬的離線環(huán)境中訓(xùn)練了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)。在訓(xùn)練過程中，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)了紙張在不同物理位置受到不同抓握時的“行為”?！坝?xùn)練數(shù)據(jù)完全是通過基于物理的計算機模擬生成的，”Tong和Choi解釋道?！半S后，經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線實時地快速做出預(yù)測，從而產(chǎn)生操作軌跡。另一個關(guān)鍵的創(chuàng)新是我們使用縮放分析（一種從數(shù)學(xué)物理學(xué)中采用的技術(shù)）對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測進行無量綱化?！?/p>

硬（卡）紙的半谷折疊。(a)直觀的基線操作嚴(yán)重失敗，因為紙張的剛度導(dǎo)致折疊過程中過度滑動。(b)我們的開環(huán)控制算法實現(xiàn)了對基線的顯著改進，滑動。(c)我們的閉環(huán)控制算法實現(xiàn)了近乎完美的折疊。圖片：Tong等人。在本文中，術(shù)語“無量綱化”是指通過數(shù)學(xué)物理技術(shù)使輸入和輸出獨立于它們的單位。無量綱量是無單位的。因此，改變系統(tǒng)的單位不會影響分析。在本研究的背景下，這個過程具有顯著的優(yōu)勢。它改進了控制框架的通用性，允許機器人折疊不同厚度或不同幾何形狀的紙張，而無需針對每種紙張類型進行培訓(xùn)。另外，無量綱化降低了折紙問題的“維度”。換句話說，它可以更輕松地訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時提高其實時性能。“鑒于許多可變形物體的高度非線性行為，機器人一直在努力開發(fā)有效的方法來控制機器人，以滿足現(xiàn)實世界的操作任務(wù)，例如折紙，”Tong和Choi說?！拔覀児ぷ鞯囊粋€令人興奮的發(fā)現(xiàn)是，機器學(xué)習(xí)算法和基于物理的縮放分析是互補的，并且對于機器人可變形物體操縱的目的非常有效。一方面，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型在處理物體時會遇到難以處理的計算成本例如紙張，從而導(dǎo)致在線控制不可行。另一方面，天真地使用機器學(xué)習(xí)來緩解問題導(dǎo)致控制方案僅適用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的場景（即，即使被操縱的可變形物體的材料被修改）?！边@組研究人員近的工作強調(diào)了在解決現(xiàn)實世界的機器人對象操作問題時將縮放分析與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的價值。他們的初步發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)確性和效率方面都非常有前途。未來，Tong、Choi和他們的同事創(chuàng)建的框架可以幫助顯著增強機器人的物體操縱能力。例如，它可以讓他們以先進的方式處理更廣泛的物體，包括紙張和其他可變形材料制成的物品。“據(jù)我們所知，我們的框架是個利用這種協(xié)同方法的框架，我們相信它可以廣泛用于各種可變形操作任務(wù)，例如電纜管理、打結(jié)、機器人剪紙等，”T