Robot là gì? Các công bố khoa học về Robot

Chúng tôi trình bày một tập dữ liệu mới được ghi lại từ một chiếc xe station wagon VW để phục vụ nghiên cứu về robot di động và lái xe tự động. Tổng cộng, chúng tôi đã ghi lại 6 giờ kịch bản giao thông với tần suất từ 10 đến 100 Hz, sử dụng nhiều phương thức cảm biến khác nhau như camera stereo màu và đen trắng độ phân giải cao, máy quét laser 3D Velodyne và hệ thống dẫn đường quán tính GPS/IMU độ chính xác cao. Các kịch bản rất đa dạng, phản ánh các tình huống giao thông thực tế và trải dài từ các xa lộ, các khu vực nông thôn đến các cảnh trong thành phố với nhiều đối tượng tĩnh và động. Dữ liệu của chúng tôi đã được hiệu chỉnh, đồng bộ và gán thời gian, và chúng tôi cung cấp các chuỗi hình ảnh đã chỉnh sửa và thô. Tập dữ liệu của chúng tôi cũng chứa nhãn đối tượng dưới dạng các tracklet 3D, và chúng tôi cung cấp các bài kiểm tra trực tuyến cho stereo, dòng quang học, phát hiện đối tượng và các tác vụ khác. Bài báo này mô tả nền tảng ghi âm của chúng tôi, định dạng dữ liệu và các tiện ích mà chúng tôi cung cấp.

Bài báo này trình bày một phương pháp tránh va chạm độc đáo theo thời gian thực cho các cơ khí manipulator và robot di động dựa trên khái niệm trường tiềm năng nhân tạo. Việc tránh va chạm, thường được coi là một vấn đề lập kế hoạch cấp cao, có thể được phân phối hiệu quả giữa các cấp độ điều khiển khác nhau, cho phép các hoạt động của robot trong môi trường phức tạp diễn ra theo thời gian thực. Phương pháp này đã được mở rộng cho các chướng ngại vật di động bằng cách sử dụng trường tiềm năng nhân tạo thay đổi theo thời gian. Chúng tôi đã áp dụng phương thức tránh va chạm này cho các cơ cấu robot tay và đã sử dụng một cách tiếp cận mới đối với vấn đề tổng quát về điều khiển manipulator theo thời gian thực. Chúng tôi đã tái cấu trúc vấn đề điều khiển manipulator như là điều khiển trực tiếp chuyển động của manipulator trong không gian thao tác—không gian mà nhiệm vụ được mô tả ban đầu—thay vì điều khiển chuyển động không gian khớp tương ứng của nhiệm vụ chỉ được đạt được sau khi biến đổi hình học và động học. Ngoài các khu vực ảnh hưởng của chướng ngại vật, chúng tôi đã khiến bộ phận cuối cùng di chuyển theo một đường thẳng với giới hạn tốc độ tối đa. Phương pháp trường tiềm năng nhân tạo đã được mở rộng để tránh va chạm cho tất cả các liên kết của manipulator. Thêm vào đó, một trường tiềm năng nhân tạo trong không gian khớp được sử dụng để thỏa mãn các ràng buộc khớp bên trong của manipulator. Phương pháp này đã được triển khai trong hệ thống COSMOS cho robot PUMA 560. Các thử nghiệm tránh va chạm thời gian thực trên các chướng ngại vật di động đã được thực hiện bằng cách sử dụng cảm biến hình ảnh.

Học tăng cường cung cấp cho robot một khuôn khổ và bộ công cụ cho việc thiết kế những hành vi phức tạp và khó chế tạo. Ngược lại, những thách thức trong các vấn đề robot cung cấp cả nguồn cảm hứng, tác động và xác thực cho các phát triển trong học tăng cường. Mối quan hệ giữa các lĩnh vực này có đủ hứa hẹn để được so sánh với mối quan hệ giữa vật lý và toán học. Trong bài viết này, chúng tôi cố gắng củng cố các liên hệ giữa hai cộng đồng nghiên cứu bằng cách cung cấp một khảo sát về công trình nghiên cứu trong học tăng cường cho việc tạo ra hành vi ở robot. Chúng tôi nhấn mạnh cả những thách thức chính trong học tăng cường cho robot cũng như những thành công đáng chú ý. Chúng tôi thảo luận về cách các đóng góp đã kiểm soát độ phức tạp của lĩnh vực này và nghiên cứu vai trò của các thuật toán, các biểu diễn, và kiến thức trước đó trong việc đạt được những thành công này. Do đó, một trọng tâm cụ thể của bài báo của chúng tôi nằm ở sự lựa chọn giữa phương pháp dựa trên mô hình và không dựa trên mô hình, cũng như giữa phương pháp dựa trên giá trị và tìm kiếm chính sách. Bằng cách phân tích một vấn đề đơn giản trong một số chi tiết, chúng tôi chứng minh cách mà các phương pháp học tăng cường có thể được áp dụng một cách có lợi, và chúng tôi lưu ý rằng trong suốt bài viết có nhiều câu hỏi còn mở và tiềm năng to lớn cho nghiên cứu trong tương lai.

Các nghiên cứu về độ nhạy được tiến hành liên quan đến việc thu được thuộc tính quang học của aerosol từ các bức xạ được đo bởi các thiết bị đo bức xạ bầu trời mặt trời tại mặt đất của Mạng lưới Robot Aerosol (AERONET). Các nghiên cứu này tập trung vào việc thử nghiệm một khái niệm đảo ngược mới nhằm thu được đồng thời phân bố kích thước aerosol, chỉ số khúc xạ phức tạp và độ phản xạ đơn trong bức xạ từ các phép đo phổ của bức xạ trực tiếp và khuếch tán. Các biến động của quá trình đảo ngược do lỗi ngẫu nhiên, độ lệch của thiết bị và các không chắc chắn được biết đến trong mô hình bức xạ khí quyển được phân tích. Sự sai sót trong việc hiệu chuẩn kênh mặt trời hoặc bầu trời, góc phương vị không chính xác trong việc đo bức xạ bầu trời, và sự không chính xác trong việc tính toán độ phản xạ bề mặt được coi là nguồn lỗi. Các tác động của những lỗi này đến việc đặc trưng hóa ba loại aerosol điển hình và quang học riêng biệt với phân bố kích thước đa mô hình (aerosol hòa tan trong nước hấp thụ yếu, aerosol cháy sinh khối hấp thụ, và bụi sa mạc) được xem xét. Các hạt aerosol trong quá trình thu được được giả định là những hình cầu đồng nhất phân tán đa dạng với cùng một chỉ số khúc xạ phức tạp. Do đó, chúng tôi cũng đã kiểm tra cách mà việc đảo ngược với giả định như vậy làm lệch các kết quả thu được trong trường hợp các aerosol bụi không hình cầu và trong trường hợp các hạt hình cầu trộn lẫn bên ngoài hoặc bên trong với các chỉ số khúc xạ khác nhau. Phân tích cho thấy việc thu được thành công tất cả các đặc điểm của aerosol (phân bố kích thước, chỉ số khúc xạ phức tạp và độ phản xạ đơn), với điều kiện rằng quá trình đảo ngược bao gồm sự kết hợp dữ liệu của độ sâu quang học phổ cùng với bức xạ bầu trời trong toàn bộ mặt trời almucantar (với độ bao phủ góc của các góc tán xạ lên đến 100° hoặc hơn). Độ chính xác của kết quả thu được là chấp nhận được cho hầu hết các ứng dụng cảm biến từ xa ngay cả khi có sự hiện diện của những không chắc chắn hệ thống hoặc ngẫu nhiên khá mạnh trong các phép đo. Những hạn chế chính liên quan đến việc đặc trưng hóa các tình huống độ sâu quang học thấp đối với tất cả các loại aerosol, nơi mà có thể xảy ra các lỗi tương đối cao trong các phép đo bức xạ trực tiếp của độ sâu quang học aerosol. Ngoài ra, kết quả của các thử nghiệm cho thấy việc giảm độ bao phủ góc của sự tán xạ (các góc tán xạ 75° hoặc ít hơn) trong bức xạ bầu trời dẫn đến việc mất thông tin thực tế về chỉ số khúc xạ. Việc chỉ đúng góc phương vị là rất quan trọng đối với việc đặc trưng hóa bụi. Sự tán xạ bởi các hạt bụi không hình cầu yêu cầu phân tích đặc biệt, trong đó việc xấp xỉ aerosol bằng các hình cầu cho phép chúng tôi suy diễn độ phản xạ đơn bằng cách đảo ngược độ sâu quang học phổ cùng với bức xạ bầu trời trong toàn bộ mặt trời almucantar. Việc đảo ngược các bức xạ bầu trời được đo trong góc tán xạ 40° đầu tiên chỉ, nơi mà các hiệu ứng không hình cầu là không đáng kể, dẫn đến các thu được chính xác về phân bố kích thước aerosol của các hạt không hình cầu.

Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu mô hình hóa và điều khiển các robot manipulators có khớp nún. Đầu tiên, chúng tôi suy diễn một mô hình đơn giản để mô tả động lực học của các manipulators có khớp nún. Mô hình được suy diễn dưới hai giả định về sự kết nối động lực giữa các bộ truyền động và các thanh nối, và mô hình này hữu ích trong các trường hợp mà độ đàn hồi trong các khớp quan trọng hơn so với sự tương tác quán tính giữa các động cơ và các thanh nối. Khi độ cứng của khớp tiến đến vô cùng, mô hình của chúng tôi sẽ giảm thành mô hình cứng thông thường được tìm thấy trong tài liệu, cho thấy tính hợp lý của các giả định mô hình của chúng tôi. Chúng tôi chỉ ra rằng mô hình của chúng tôi có tính khả thi cao hơn đáng kể trong việc thiết kế bộ điều khiển hơn so với các mô hình phi tuyến trước đó đã được sử dụng để mô hình hóa các robot manipulators có khớp nún. Cụ thể, các phương trình chuyển động phi tuyến mà chúng tôi suy diễn được chứng minh là có thể tuyến tính hóa toàn cầu thông qua biến đổi tọa độ khả vi và phản hồi tĩnh phi tuyến, một kết quả không áp dụng được cho các mô hình đã được suy diễn trước đó của các robot manipulators có khớp nún. Chúng tôi cũng chi tiết một phương pháp thay thế để điều khiển phi tuyến dựa trên một hình thức rối số của các phương trình chuyển động và khái niệm về đa tạp tích phân. Chúng tôi chỉ ra rằng bằng cách sử dụng phản hồi phi tuyến thích hợp, đa tạp trong không gian trạng thái mà mô tả động lực học của robot manipulators cứng, tức là robot không có độ đàn hồi của khớp, có thể được làm bất biến dưới các nghiệm của hệ thống khớp nún. Các hệ quả của kết quả này đối với việc điều khiển các robot có khớp nún được thảo luận.