Univerzita vyvinula algoritmus, roboti se díky němu budou bezpečně pohybovat mezi lidmi

Vědci z katedry kybernetiky Fakulty elektrotechnické ČVUT ve spolupráci s kolegy z University of Colorado Boulder a janovského Istituto Italiano di Tecnologia, kteří zkoumají interakce mezi roboty a člověkem, zrealizovali experiment se stolní hrou Bubbles. 

Humanoidní robot iCub a člověk sedí naproti sobě u stolu a hrají hru se třemi kostkami a šesti odkrytými kartami. Kostky jsou vrženy a vyhrává ten, kdo nejrychleji ukáže na správnou kartu: barva nejvyššího čísla na kostkách se přitom musí shodovat s barvou největší bubliny na kartách.

Cílem bylo demonstrovat nejen kognitivní schopnosti robota, ale zejména pokrok, který dosáhli vědci v tom, aby se roboti mohli bezpečně pohybovat v prostředí obydleném lidmi.

„Zásadně k němu přispívá nový reaktivní regulátor pohybu ovládající horní polovinu humanoida. Robot iCub je díky vyvinutému algoritmu schopen plynulého pohybu a empatického chování a člověk se vedle něho může cítit naprosto bezpečně,“ popsal Suk.

Je to zjevné i z experimentu na videu, kde lidský figurant vědomě robotovi brání v pohybu, odstrkuje jeho ruce, a robot se přitom poslušně podvoluje jeho manipulaci. Bez těchto lidských zásahů by měl robot ve hře jednoznačně navrch: humanoid vybavený kamerou, dvěma tisíci hmatovými receptory a proximity senzorem identifikujícím blízké předměty totiž vše neomylně analyzuje v řádu milisekund a pohyb jeho kloubů je bezprostřední.

Člověk by podle Suka ve hře, která je určena dětem od školního věku a od hráčů vyžaduje soustředění a pohotovou reakci, neměl šanci. Reaktivní regulátor pohybu, který vědci nazvali Harmonious, dává robotovi schopnost velmi přirozeného pohybu a přiměřené reakce na podněty okolí.

„Jsou to vlastnosti, které byly doposud připisovány spíše organismům než strojům. V robotice dosud převládal důraz na plánování pohybu robota, které se ale může uplatnit jen v neměnném a předvídatelném prostředí, jaké jsme schopni vytvořit například ve výrobním provozu. Pokud ale robota nasadíme v nestrukturovaném dynamickém prostředí, ve kterém se běžně pohybujeme i my, tento přístup selhává a je potřeba, aby robot byl schopen se chovat jako člověk, tj. přizpůsoboval se překážkám a měnil trajektorii pohybu podle aktuální situace,“ vysvětlil zásadní změnu v přístupu k interakcím humanoidů Matěj Hoffmann, vedoucí skupiny humanoidní robotiky na Fakultě elektrotechnické ČVUT. 

iCub je podle Hoffmanna první robot, o kterém lze prohlásit, že je vedle sluchu a zraku vybaven také hmatem. Schopnost vnímat dotyky mu umožňují hmatové senzory zabudované v elektronické kůži. Díky svým smyslům si kolem svého těla ovládaného 53 elektromotory vytváří „ochrannou bublinu“, která mu umožňuje kontrolovat prostor velmi podobně jako je tomu u člověka.

Umělá inteligence ho na základě předchozích zkušenosti s vnímáním vizuálních a hmatových vjemů přivede ke správnému řešení, když na něj letí míč nebo mu někdo brání v pohybu.

„iCub se učí vnímat své okolí obdobně jako dítě, které svým vzhledem připomíná. Ovšem i humanoid s dětskými rozměry má ve svých motorech sílu, která by potenciálně mohla svému okolí ublížit, proto jsme si při vývoji regulátoru Harmonious stanovili cíl, že si robot osvojí schopnost přiměřené a bezpečné reakce,“ uvedl Matěj Hoffmann, který na vývoji regulátoru spolupracoval s Jakubem Rozlivkem.

Doktorand z katedry kybernetiky FEL ČVUT je uveden jako hlavní autor publikace, jež vyšla v listopadovém vydání IEEE Transactions On Robotics, jednoho z nejprestižnějších vědeckých časopisů v oblasti robotiky.

Pro zajištění plynulého a přirozeného pohybu robota vědci mimo jiné zkoumali kinematiku lidského pohybu, například z pohledu toho, co se děje, když bereme do ruky předměty. Analyzované charakteristiky lidského pohybu pak přenesli do algoritmu, podle něhož se řídí pohyb robota.  

Regulátor Harmonious ovládá horní polovinu těla robota iCub, celkem 17 kloubů na rukách a trupu, což je v současné robotice vůbec největší dosažený počet stupňů volnosti. Algoritmus je ale obecný a je možné ho aplikovat i na vyšší počet kloubů/motorů a senzorů/smyslů.

Otevírá se tím velký prostor pro uplatnění empatických robotů v reálném světě a přímé interakci s okolím. „Humanoidi budou moci sdílet pracovní i obytné prostory s lidmi, například při donášce zásilek, sociálních službách při komunikaci či například v domácnostech, kde mohou postupně převzít vybrané úkoly, například při úklidu, péči o seniory či při společenském kontaktu,“ popsal Hoffmann. 

Po zvládnutí přirozeného pohybu horní poloviny těla robota si skupina humanoidní robotiky stanovila další cíl. „Pracujeme s Jakubem Rozlivkem na tom, aby si iCub osvojil schopnost přirozeného pohledu. Když analyzujete jeho aktuální způsob, jakým pozoruje okolí například během experimentu s kartami, tak z toho vyplyne, že sleduje jen karty na stole, což nepůsobí přirozeně. Běžně člověk občas pohlédne i na svého protivníka či se podívá kolem sebe. Chceme obohatit stávající algoritmus, aby robot dokázal přirozeně střídat svoje pohledy a působil přitom přirozeněji než doposud,” popsal Hoffmann další úkoly své vědecké skupiny.

Jako samostatné téma je podle něj pak chůze robota. V případě iCuba se mu věnuje janovský Instituto Italiano di Tecnologia, se kterým je pražská skupina v úzkém kontaktu.

pozn. V článku zmiňovaný vědecký článek o novém algoritmu je v plném znění dostupný prostřednictvím odkazu https://arxiv.org/abs/2312.02711.