Моделювання прискорило робота-морську зірку

Американські інженери розробили алгоритм для моделювання руху м'яких роботів у водному середовищі і побудували підводного робота, що імітує морську зірку. В ітеративному алгоритмі дані, отримані зі спостережень за рухом реального робота, використовуються для уточнення параметрів динамічної моделі робота в симуляторі та оптимізації його траєкторії, після чого дані отримані з симулятора знову тестуються на реальному роботі. Всього за чотири ітерації алгоритму розробникам вдалося підвищити швидкість руху робозвїзди приблизно в 3.6 рази. Запропонований підхід допоможе знизити помилки і розбіжності комп'ютерних моделей з реальними пристроями, що виникають при моделюванні поведінки роботів з великою кількістю ступенів свободи у водному середовищі, вважають автори статті, опублікованої в журналі

Підводні роботи здатні допомогти дослідникам у виконанні безлічі різних завдань під водою від збору зразків до спостереження за життям морських тварин. Найчастіше самі водні мешканці стають прототипами для роботів, в конструкції яких інженери намагаються втілити особливості будови тіла підводних тварин і способи їх переміщення. Створення і подальше налаштування прототипів підводних роботів може займати значну кількість часу, скоротити яке могло б допомогти комп'ютерне моделювання. Однак побудова комп'ютерних моделей, точно описують особливості руху об'єктів і управління ними у водному середовищі, особливо коли мова йде про м'які роботи з великою кількістю ступенів свободи, - складне завдання.

Вирішити її спробували американські інженери з Массачусетського технологічного інституту під керівництвом Даніели Рус (Daniela Rus). Вони застосували підхід для моделювання динаміки руху підводних м'яких роботів, що дозволяє підвищити швидкість їх розробки і подальшого налаштування.

Для дослідів був побудований простий м'який робот, що імітує форму тіла морської зірки. Його тіло виконано з силіконової піни і має чотири промені-кінцівки з прикріпленими до їх кінців тягами з рибальської ліски. Тяги від кінців променів сходяться до центру зірки, проходять через отвір у центрі тіла робота і кріпляться до блоку на протилежному боці. Обертання блоку прикріпленим до нього сервомотором викликає натягнення «сухожиль» і одночасний вигин всіх чотирьох кінцівок робозвїзди в одному напрямку.

Пристрій поміщають у резервуар з водою, вздовж якого натягнуті горизонтальні напрямні, що обмежують його рухливість тільки одним горизонтальним напрямком. Вага м'якого робота підібрана таким чином, щоб він зберігав приблизно нейтральну плавучість. Контроль за рухом здійснюється високошвидкісною камерою, обробка зображення з якою дозволяє отримати координати чотирьох міток, розташованих збоку на вертикальних щупальцях робозвїзди (дві мітки на верхньому і дві на нижньому). Ці дані потім використовуються для обчислення різниці між рухами моделі робота в симуляції і справжнього пристрою в реальному оточенні.

Застосований авторами роботи алгоритм виглядає наступним чином: На старті реєструються рухи справжнього робота у воді із заданими вручну сигналами управління актуатором. Для побудови динамічної моделі робота розробники використовують власний алгоритм DiffPD - диференційований симулятор м'яких тіл, в рамках якого руху робота і гідродинамічні сили, що впливають на нього, моделюються із застосуванням методу кінцевих елементів і неявного методу Ейлера. При цьому автори роботи зазначають, що описуваний підхід не прив'язаний до конкретного симулятора.

Зібрані на реальному роботі дані порівнюються з даними, передбачуваними динамічною моделлю в ході симуляції, після чого алгоритм враховує отриману різницю і змінює параметри моделі таким чином, щоб зменшити помилку між поведінкою робота в симуляції і в реальному досвіді. Потім скоригована динамічна модель використовується в симуляції для оптимізації сигналів управління, які потім виконуються на справжньому роботі, щоб зібрати ще більше даних для нової ітерації. В результаті на виході алгоритму виходить відкалібрована динамічна модель і оптимізований контролер вже готовий для управління реальним роботом. Кінцева ж мета роботи алгоритму - максимізація швидкості руху, а отже, і пройденої відстані.

Результати випробувань показали, що всього чотирьох ітерацій достатньо, щоб збільшити швидкість пересування робозвїзди приблизно в 3.6 рази з 0.21 сантиметра в секунду до 0.75. Також автори відзначають, що після оптимізації в сигналі управління, а значить і в русі променів робозвїзди, виникли високочастотні складові, які, як вони вважають, дозволяють роботу більш ефективно використовувати гідродинамічні сили для досягнення більшої швидкості. Надалі розробники планують використовувати розроблений ними підхід і для більш складних роботів з великим числом актуаторів.

Найчастіше не тільки будова тіла і спосіб пересування морських істот, але і їх поведінка стає прикладом для наслідування при розробці підводних роботів. Наприклад, вчені з Гарвардського університету створили робориб, здатних об'єднуватися в зграї і виконувати інші колективні дії, що імітують поведінку справжніх риб.