来自众家新创公司与实验室的碰撞侦测与追踪技术,将使得在人类与其他移动物体周边的协作型机器人更安全。一个美国圣地亚哥大学(University of San Diego)的团队便开发了一种更快速的算法,能协助机器人利用机器学习避开障碍物;此外从麻省理工学院(MIT)独立的公司Humatics,则正在开发人工智能(AI)辅助室内雷达系统,能让机器人精确追踪人类的动作。

圣地亚哥大学所开发的算法名为Fastron,利用机器学习来加速并简化碰撞侦测;该算法是根据一个机器人的组态空间(configuration space,C-space)模型,仅利用少量的碰撞点(collision points)与无碰撞点,来分类移动物体的碰撞与非碰撞。现有的碰撞侦测算法是运算密集方案,因为那些方案会详细标明机器人与障碍物3D几何图形中所有的点,然后检查两者之间每个点可能发生的碰撞;当那些物体移动时,运算量会大幅增加。

045ednc20180313 美国圣地亚哥大学的团队开发出一种更快速的碰撞侦测算法,有助于机器人避开障碍物(来源:David Baillot, UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Fastron算法的C-space模型扮演了以运动学为基础(kinematic-based)的碰撞侦测代理(proxy),该算法结合了核心感知学习算法的修改以及主动式学习算法,来减少以运动学为基础之碰撞侦测的次数。这种算法不需要检查每一个点,而是在界线(boundaries)附近检查并分类碰撞与非碰撞;随着物体移动,两者之间的分类界线也会改变,因此算法能迅速更新分类然后继续循环。

046ednc20180313 Fastron算法原理(来源:David Baillot, UC San Diego Jacobs School of Engineering)

该团队已经在仿真中证实了,代理碰撞检查的速度是有效多面体检查工具(polyhedral checker)的两倍,是有效高精确度碰撞检查工具的八倍,而且不需要GPU加速器或平行运算;除了能应用于工厂生产线,其他潜在应用包括让外科手术用的辅助机器手臂更安全运作、不会在手术过程中造成干扰。

AI辅助分析平台

新创公司Humatics的共同创办人暨执行长David Mindell,也是MIT航天工程与技术史教授;该公司的产品长Stephen Toebes则是协作型机器人领导厂商Rethink Robotics的前任产品开发暨营运资深副总裁。此外该公司副总裁暨首席软件架构师Michael Barbehenn,则在擅长开发行动仓储机器人的Amazon Robotics (前身为Kiva Systems)任职许久,曾担任软件部门副总裁。

Humatics的空间智慧平台(Spatial Intelligence Platform)结合了一个微型定位系统,以廉价的RF技术与AI辅助分析软件为基础;该单一系统能追踪多个移动的应答器(transponder)目标,具备毫米(millimeter)等级的精确度,最长距离可达30公尺。也能以连网方式结合多个系统,已覆盖更宽广的范围,小至工厂的工作区,大致整个物流配送中心。

Mindell表示,该公司的目标是以小型化、廉价的RF信标(beacon),来打造一个支持公分(cm)与毫米等级绝对参考定位(absolute reference positioning)的世界,无论是在室内、室外或是任何一种天候状态;他表示:「协作型机器人其实并不知道人们的所在位置,要融入人类环境,它们都应该要配备针对周遭物体的定位导航功能;因此我们认为,未来的自主型机器人,无论它们是车子或是工厂中的自动化机器人,还是无人机,都会是连网世界的组成部分。」

虽然Humatics目前正在开发的是小型化、短距离雷达,Mindell表示:「我们对于『雷达』这个名词有点矛盾,因为我们的空间智慧平台并非反向散射系统(backscatter system),而是二次雷达系统(secondary radar system),也就是航空管制系统采用的方案,又称为信标对信标(beacon-to-beacon)方案。」

Mindell指出,目前该公司的系统可达到毫米等级精确度、单一装置3D量测,能追踪大量的电池供电或车辆供电小型移动信标,或被称为「小精灵」(pucks)之人类、机器人移动物体上的小型信标;除支持毫米等级追踪精确度,也支持非常高的更新率。

047ednc20180313 Humatics的空间智慧平台号称能让人类与机器人更安全地并肩工作(来源:Humatics)

而Mindell透露,Humatics正在开发自家分析软件:「所有在周遭的物体都是以毫米等级移动,因此在这个精确度的位置数据非常丰富;」其核心算法是基本的递归评估器(recursive estimator),具备自适应/优化的功能,当它们收集了大量数据就能更妥善分析动作以及位置信息。

Humatics系统采用的软硬件技术号称是廉价且可扩展的,因为产业界已经让微波与毫米波组件的成本降低,而该技术采用的标准化API则能让其数据也被其他应用程序与服务使用;Mindell指出,该架构是可延伸的,因此系统能以连网方式布署于大型厂房或其他空间,以提供广大的覆盖范围。该解决方案预计在2018年进行测试,并在2019年初正式上市。

(原文发表于Aspencore旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:AI Helps Bots Avoid Collisions;Judith Cheng编译)

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