智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 楊暢
編輯 | Panken
智東西7月15日消息，近日，美國麻省理工學(xué)院研究人員研發(fā)了一種新算法，能讓機(jī)器人靈活地幫人類穿衣服。
據(jù)悉，該算法可為機(jī)器人找到有效的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，能確保人類人身安全，并避免“機(jī)器人凍結(jié)”問題。
一、讓機(jī)器人穿衣服，要克服這兩大難題
讓機(jī)器人給人類穿衣服，聽起來容易，要做到則需攻克技術(shù)難題。
一個(gè)人幫朋友往杯子里到咖啡很容易，但對機(jī)器人說，要學(xué)會(huì)這個(gè)看似簡單的任務(wù)，它需要仔細(xì)觀察和理解人類的行為。
因?yàn)闄C(jī)器人不具備像人一樣控制自身行為的意識(shí)和能力，所以要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和人類的安全交互，需要對機(jī)器人的行為進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃和協(xié)調(diào)。
如果能構(gòu)建正確適當(dāng)?shù)娜梭w運(yùn)動(dòng)建模（包含人類如何移動(dòng)、反應(yīng)和響應(yīng)），那么機(jī)器人就能流暢地與人交互，但在很多情況下，完美無缺的建模并不存在。
例如，如果讓家用機(jī)器人使用一種簡單的默認(rèn)模型，來教機(jī)器人如何幫人穿衣服，這個(gè)模型不會(huì)解釋人類反應(yīng)存在很大的不確定性，跟每個(gè)人的個(gè)性、習(xí)慣都有關(guān)系。
比如，給蹣跚學(xué)步的孩子穿衣服，和給不太靈活還虛弱的老人、或容易疲勞的殘障人士穿衣服，需要用到不同的方法。
如果僅根據(jù)默認(rèn)的模型進(jìn)行軌跡規(guī)劃，那么機(jī)器人可能會(huì)碰傷人類。但如果在確保人類安全方面過于保守，那機(jī)器人可能會(huì)認(rèn)為附近空間活動(dòng)都不安全，因而不會(huì)移動(dòng)，則又出現(xiàn)“機(jī)器人凍結(jié)（Freezing Robot）”的問題。
二、模型預(yù)測控制（MPC）算法保證人類安全
人機(jī)交互時(shí)，機(jī)器人采用的安全方法包括預(yù)測和反應(yīng)。預(yù)測方法允許機(jī)器人預(yù)測人類行為，同時(shí)規(guī)劃無碰撞運(yùn)動(dòng)。反應(yīng)方法是使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)檢測碰撞，并在碰撞時(shí)做出相應(yīng)反應(yīng)以減少和人接觸產(chǎn)生的力。
這項(xiàng)研究論文的第一作者、麻省理工學(xué)院的博士Shen Li說：“在不影響任務(wù)效率的前提下，開發(fā)算法來防止機(jī)器人對人類身體造成傷害是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)?！?/p>
研究人員首先對“安全”進(jìn)行了重新的定義，在之前的相關(guān)研究中，對于人機(jī)交互預(yù)測和反應(yīng)方法方面的人身安全定義是：避免碰撞和減少接觸產(chǎn)生的力。
通過結(jié)合這兩個(gè)定義，研究人員在人類感知運(yùn)動(dòng)規(guī)劃（HAMP）的背景下重新定義“安全”為：避免碰撞和發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的安全沖擊兩個(gè)方面。
對比之前的方法，很多方法都是按順序集成預(yù)測和反應(yīng)方法，機(jī)器人首先使用運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器來尋找路徑，然后使用兼容控制器來執(zhí)行。但兩者方法是分別優(yōu)化其自身特定目標(biāo)，而不是兩種方法保持同一個(gè)目標(biāo)。
針對這些情況，本研究的研究人員提出了一種安全規(guī)劃器，在一個(gè)框架內(nèi)集成預(yù)測和反應(yīng)方法。
結(jié)合Koller等學(xué)者的研究，研究人員還開發(fā)了一種模型預(yù)測控制算法。根據(jù)他們自己的定義，即使人類的動(dòng)態(tài)模型不確定，這個(gè)算法也能保證人類的安全。
該團(tuán)隊(duì)的算法對于人類建模中的不確定性信息進(jìn)行了推理，他們不是讓機(jī)器人只了解一種涉及潛在反應(yīng)的單一默認(rèn)模型，而是讓機(jī)器人學(xué)習(xí)更多可能的模型，來更接近人類，模仿人類如何理解其他人。隨著機(jī)器人收集數(shù)據(jù)地不斷增加，它會(huì)自己減少不確定性并改進(jìn)這些人類行為模型。
例如，假設(shè)人類對穿衣的反應(yīng)有兩種可能的模型?！澳Ｊ揭弧笔侨嗽诖┮聲r(shí)向上移動(dòng)，“模式二”是人在穿衣時(shí)向下移動(dòng)。借助團(tuán)隊(duì)的算法，當(dāng)機(jī)器人計(jì)劃其運(yùn)動(dòng)時(shí)，它不會(huì)選擇一種模型，而是會(huì)盡量確保兩種模式都是安全的。無論人是向上還是向下移動(dòng)，機(jī)器人找到的行動(dòng)軌跡都能保證人的安全。
三、成功在確保安全前提下給人穿衣服
在實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人幫助人類穿上夾克，證明這種算法是一種強(qiáng)大的工具，它能讓機(jī)器人更精準(zhǔn)高效地幫助行動(dòng)不便的人。
除了關(guān)注人類身體是否安全之外，未來該團(tuán)隊(duì)的工作可能會(huì)集中在調(diào)查機(jī)器人輔助穿衣任務(wù)期間人類的主觀感受。
美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所助理教授Zackory Erickson說：“這種多方面的方法結(jié)合了集合理論、人類感知安全約束、人體運(yùn)動(dòng)預(yù)測和安全人機(jī)交互的反饋控制，有可能應(yīng)用于各種輔助機(jī)器人場景，最終目標(biāo)是使機(jī)器人能夠?yàn)闅堈先耸刻峁└踩膸椭?。?/p>
結(jié)語：人機(jī)交互安全性還有提升空間
從掃地機(jī)器人、廚師機(jī)器人、送餐機(jī)器人、看護(hù)機(jī)器人到本研究的穿衣機(jī)器人等等，機(jī)器人的種類和功能越來越多，使用的場景也在不斷增多，尤其老人、小孩和殘障人士，除了家人的照顧之外，未來機(jī)器人可能也會(huì)提供越來越多樣的幫助。
機(jī)器人數(shù)量和使用范圍的拓寬，人機(jī)交互更加密切。到目前，人機(jī)交互的安全性問題像這個(gè)穿衣機(jī)器人實(shí)驗(yàn)一樣，只是在某一或某類特定場景下實(shí)驗(yàn)成功，其他場景還有待核驗(yàn)。人機(jī)交互的安全性還有不少可提升空間。
來源：Tech Xplore
