快速碰撞探測器可以使機(jī)器人成為更好的人類助手

加州大學(xué)圣地亞哥分校的電氣工程師開發(fā)了一種更快的碰撞檢測算法，該算法利用機(jī)器學(xué)習(xí)幫助機(jī)器人避免移動(dòng)物體并實(shí)時(shí)編織復(fù)雜，快速變化的環(huán)境。該算法被稱為“Fastron”，其運(yùn)行速度比現(xiàn)有的碰撞檢測算法快8倍。

電氣和計(jì)算機(jī)工程教授，加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)器人研究所成員Michael Yip領(lǐng)導(dǎo)的工程師團(tuán)隊(duì)將于11月13日至15日在Google總部舉行的第一屆機(jī)器人學(xué)習(xí)年會(huì)上展示新算法在加利福尼亞州的山景城，該會(huì)議將頂級(jí)機(jī)器學(xué)習(xí)科學(xué)家?guī)肓艘粋€(gè)僅限受邀者參加的活動(dòng)。在為期3天的會(huì)議期間，葉氏的團(tuán)隊(duì)將舉行一場長時(shí)間的會(huì)談。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)想Fastron將廣泛用于在人類環(huán)境中操作的機(jī)器人，在這些環(huán)境中，他們必須能夠流動(dòng)地移動(dòng)物體和人。它們以特定的探索的一個(gè)應(yīng)用是機(jī)器人使用達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)，其中，機(jī)器人臂將自主地而不會(huì)在外科醫(yī)生控制的臂或方式得到執(zhí)行輔助任務(wù)(吸入，灌溉或拉動(dòng)組織背面)輔助手術(shù)病人的器官。

“這種算法可以幫助機(jī)器人助手以安全的方式配合手術(shù)，”葉說。

該團(tuán)隊(duì)還設(shè)想Fastron可用于在家工作的機(jī)器人用于輔助生活應(yīng)用，以及用于游戲和電影行業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形，其中碰撞檢查通常是大多數(shù)算法的瓶頸。

現(xiàn)有碰撞檢測算法的一個(gè)問題是它們計(jì)算量很大。他們花費(fèi)大量時(shí)間指定給定空間中的所有點(diǎn) - 機(jī)器人和障礙物的特定三維幾何 - 并對每個(gè)點(diǎn)執(zhí)行碰撞檢查，以確定兩個(gè)物體是否在任何給定時(shí)間相交。當(dāng)障礙物移動(dòng)時(shí)，計(jì)算變得更加苛刻。

為了減輕計(jì)算量，Yip和他在加州大學(xué)圣地亞哥分校的高級(jí)機(jī)器人和控制實(shí)驗(yàn)室(ARClab)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種簡約的碰撞檢測方法。結(jié)果是Fastron，一種使用機(jī)器學(xué)習(xí)策略的算法 - 傳統(tǒng)上用于對對象進(jìn)行分類 - 在動(dòng)態(tài)環(huán)境中對碰撞與非碰撞進(jìn)行分類。“我們實(shí)際上不需要知道所有具體的幾何形狀和點(diǎn)。我們需要知道的是機(jī)器人當(dāng)前位置是否發(fā)生碰撞，”電氣工程博士Nikhil Das說。Yip小組的學(xué)生和該研究的第一作者。

Fastron這個(gè)名字來自Fast和Perceptron，它是一種用于執(zhí)行分類的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。Fastron的一個(gè)重要特征是它可以非?？焖俚馗缕浞诸愡吔缫赃m應(yīng)移動(dòng)的場景，這對于機(jī)器學(xué)習(xí)社區(qū)來說一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

Fastron的主動(dòng)學(xué)習(xí)策略使用反饋回路。它首先創(chuàng)建一個(gè)機(jī)器人配置空間模型，或C空間，這是顯示機(jī)器人可以達(dá)到的所有可能位置的空間。Fastron僅使用一組稀疏點(diǎn)來模擬C空間，這些點(diǎn)由少量所謂的碰撞點(diǎn)和無碰撞點(diǎn)組成。然后，該算法定義了碰撞點(diǎn)和無碰撞點(diǎn)之間的分類邊界 - 該邊界基本上是抽象障礙物在C空間中的位置的粗略輪廓。隨著障礙物移動(dòng)，分類邊界發(fā)生變化。與其他算法一樣，F(xiàn)astron不是對C空間中的每個(gè)點(diǎn)執(zhí)行碰撞檢查，而是智能地選擇邊界附近的檢查。一旦它對碰撞和非碰撞進(jìn)行分類，

由于Fastron的模型更簡單，研究人員將其碰撞檢查設(shè)置得更加保守。由于只有幾個(gè)點(diǎn)代表整個(gè)空間，Das解釋說，并不總是確定兩點(diǎn)之間的空間發(fā)生了什么，因此團(tuán)隊(duì)開發(fā)了算法來預(yù)測該空間中的碰撞。達(dá)斯說：“我們傾向于制造一種規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的模型，并且基本上填補(bǔ)了工作空間的障礙。” 這確保機(jī)器人可以在諸如手術(shù)的敏感環(huán)境中或在家中用于輔助生活的機(jī)器人中更加保守。

該團(tuán)隊(duì)迄今已證明了算法在仿真機(jī)器人與障礙物的計(jì)算機(jī)模擬。展望未來，該團(tuán)隊(duì)正在努力進(jìn)一步提高Fastron的速度和準(zhǔn)確性。他們的目標(biāo)是在機(jī)器人手術(shù)和家庭護(hù)理機(jī)器人環(huán)境中實(shí)施Fastron。