要讓機(jī)器人切土豆絲，英偉達(dá)首先給土豆建了個(gè)模
登上機(jī)器人頂會(huì)RSS 2021
魚(yú)羊 發(fā)自 凹非寺
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你知道，切開(kāi)一顆土豆的過(guò)程中，刀是如何受力的、土豆又會(huì)發(fā)生怎樣的形變嗎？
這可不是什么沒(méi)用的知識(shí)+1，至少對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，弄清楚其中的規(guī)律，才能更好地化身切菜小能手，甚至入駐醫(yī)院登上手術(shù)臺(tái)。
誠(chéng)然，機(jī)器人也可以像人類(lèi)一樣，通過(guò)在現(xiàn)實(shí)生活中瘋狂切菜來(lái)鍛煉技藝，但按照機(jī)器學(xué)習(xí)需要的數(shù)據(jù)規(guī)模來(lái)說(shuō)，那可就太浪費(fèi)材料了……
于是現(xiàn)在，來(lái)自英偉達(dá)、南加大等研究機(jī)構(gòu)的研究人員，專(zhuān)門(mén)給土豆蘋(píng)果們，搞出了一個(gè)可微分仿真引擎，取名DiSECt（Differentiable Cutting Simulator）。
嗯，就是能真實(shí)地模擬形變、受力等各種物理量變化的那種。
并且在速度上，比現(xiàn)有的商業(yè)化產(chǎn)品快上了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
這項(xiàng)研究已經(jīng)登上了機(jī)器人頂會(huì)RSS 2021。
幫機(jī)器人學(xué)切菜的可微分仿真引擎
具體是怎么做到的？
首先，是模擬刀和物體之間的接觸關(guān)系。這一步，研究人員引入了基于有向距離場(chǎng)（SDF）的連續(xù)接觸模型和連續(xù)損傷模型，并以有限元方法（FEM）進(jìn)行模擬。
具體而言，基于目標(biāo)物體的四面體離散化，在計(jì)算彈性力時(shí)，材料的楊氏模量、泊松比和密度等物理屬性都會(huì)被考慮在內(nèi)。
其次，在物體表示方面，研究人員采用了基于網(wǎng)格的方法；并且預(yù)設(shè)了一個(gè)切割平面，在預(yù)處理步驟中沿著這個(gè)表面插入虛擬節(jié)點(diǎn)。
而為了能更真實(shí)地模擬土豆這樣的材料在受到刀切時(shí)，自身發(fā)生的斷裂情況，研究人員在引入連續(xù)損傷模型的基礎(chǔ)上，在切割面兩側(cè)植入了“彈簧”，就像這樣：
在受力情況下，彈簧的剛度和刀施加的接觸力成反比，會(huì)逐漸減弱直至斷開(kāi)，產(chǎn)生裂紋。
效果如何？
直接來(lái)看模擬值與真實(shí)值的對(duì)比。
可以看到，隨著迭代次數(shù)的增加，DiSECt中的仿真參數(shù)結(jié)果十分接近真實(shí)值。
這里的真實(shí)值，取自現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人握刀切菜時(shí)，傳感器記錄的真實(shí)數(shù)據(jù)。
值得一提的是，利用DiSECt可微分的特性，研究人員還實(shí)現(xiàn)了刀的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化。也就是說(shuō)，能幫機(jī)器人找到最省力的切菜方式。
比如一邊鋸一邊切。
研究人員表示，相比于未經(jīng)優(yōu)化的直接切割，約束優(yōu)化后施加在刀上的力減少了15%。
論文還提到，砍瓜切菜還只是這個(gè)可微分仿真引擎的第一個(gè)小目標(biāo)。接下來(lái)，他們會(huì)將這種建模方法擴(kuò)展到更復(fù)雜的切割動(dòng)作上，比如需要旋轉(zhuǎn)刀片來(lái)完成操作的雕刻等。
關(guān)于作者
參與該項(xiàng)目的研究機(jī)構(gòu)，包括南加州大學(xué)、英偉達(dá)、華盛頓大學(xué)、多倫多大學(xué)和悉尼大學(xué)。
一作Eric Heiden是南加州大學(xué)的在讀博士生，目前的研究方向，是用算法賦予機(jī)器人在不確定環(huán)境中自主行動(dòng)的能力。
此前，他曾在NASA和谷歌實(shí)習(xí)，現(xiàn)在是英偉達(dá)的深度學(xué)習(xí)實(shí)習(xí)生。DiSECt就是他在英偉達(dá)實(shí)習(xí)期間的成果。
論文鏈接：
https://arxiv.org/abs/2105.12244
項(xiàng)目鏈接：
https://diff-cutting-sim.github.io/
— 完 —
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