Om du står vid ett skrivbord med en penna eller penna till hands, prova detta drag:Ta tag i pennan i ena änden med tummen och pekfingret, och skjut den andra änden mot skrivbordet. Skjut fingrarna ner i pennan, vänd den sedan upp och ner, utan att låta det sjunka. Inte för svårt, höger?

Men för en robot - säg en som sorterar genom en korg med föremål och försöker få ett bra grepp om ett av dem - det här är en beräkningsmässigt beskattningsmanöver. Innan man ens försöker flytta måste den beräkna en mängd egenskaper och sannolikheter, såsom tabellens friktion och geometri, pennan, och dess två fingrar, och hur olika kombinationer av dessa egenskaper samverkar mekaniskt, baserat på fysikaliska grundlagar.

Nu har MIT -ingenjörer hittat ett sätt att avsevärt påskynda planeringsprocessen som krävs för att en robot ska kunna justera greppet om ett föremål genom att skjuta det mot en stationär yta. Medan traditionella algoritmer skulle kräva tiotals minuter för att planera en sekvens av rörelser, det nya lagets tillvägagångssätt rakar ner denna förplaneringsprocess till mindre än en sekund.

Alberto Rodriguez, docent i maskinteknik vid MIT, säger att den snabbare planeringsprocessen kommer att möjliggöra robotar, särskilt i industriella miljöer, för att snabbt ta reda på hur man trycker mot, glida längs, eller på annat sätt använda funktioner i sina miljöer för att flytta objekt i deras grepp. Sådan smidig manipulation är användbar för alla uppgifter som innefattar plockning och sortering, och till och med invecklad verktygsanvändning.

"Detta är ett sätt att förlänga fingerfärdigheten till även enkla robotgripare, för i slutet av dagen, miljön är något varje robot har runt sig, "Säger Rodriguez.

Lagets resultat publiceras idag IThe International Journal of Robotics Research . Rodriguezs medförfattare är huvudförfattaren Nikhil Chavan-Dafle, en doktorand i maskinteknik, och Rachel Holladay, doktorand i elektroteknik och datavetenskap.

Fysik i en kon

Rodriguez grupp arbetar med att göra det möjligt för robotar att utnyttja sin miljö för att hjälpa dem att utföra fysiska uppgifter, som att plocka och sortera föremål i en papperskorg.

Befintliga algoritmer tar vanligtvis timmar att förplanera en sekvens av rörelser för en robotgripare, huvudsakligen för att, för varje rörelse som den anser, algoritmen måste först beräkna om den rörelsen skulle uppfylla ett antal fysiska lagar, såsom Newtons rörelselagar och Coulombs lag som beskriver friktionskrafter mellan objekt.

"Det är en tråkig beräkningsprocess att integrera alla dessa lagar, att överväga alla möjliga rörelser som roboten kan göra, och att välja en användbar bland dem, "Säger Rodriguez.

Han och hans kollegor hittade ett kompakt sätt att lösa fysiken för dessa manipulationer, innan du bestämmer hur robotens hand ska röra sig. De gjorde det genom att använda "rörelsekottar, "som i huvudsak är visuella, konformade friktionskartor.

Insidan av konen visar alla skjutande rörelser som kan appliceras på ett objekt på en specifik plats, samtidigt som de uppfyller fysikens grundläggande lagar och gör det möjligt för roboten att hålla kvar föremålet. Utrymmet utanför konen representerar alla knuffar som på något sätt skulle få ett föremål att glida ur robotens grepp.

"Till synes enkla varianter, till exempel hur hårt roboten tar tag i föremålet, kan avsevärt ändra hur objektet rör sig i greppet när det trycks, "Holladay förklarar." Baserat på hur svårt du fattar, det kommer att bli en annan rörelse. Och det är en del av det fysiska resonemanget som algoritmen hanterar. "

Lagets algoritm beräknar en rörelsekotte för olika möjliga konfigurationer mellan en robotgripare, ett föremål som det håller, och miljön som den driver mot, för att välja och ordna olika möjliga tryck för att flytta objektet.

"Det är en komplicerad process men ändå mycket snabbare än den traditionella metoden - tillräckligt snabbt för att planera en hel serie pushar tar en halv sekund, "Säger Holladay.

Stora planer

Forskarna testade den nya algoritmen på en fysisk inställning med en trevägs interaktion, där en enkel robotgripare höll ett T-format block och tryckte mot en vertikal stång. De använde flera startkonfigurationer, med roboten som griper tag i blocket vid en viss position och trycker det mot stången från en viss vinkel. För varje startkonfiguration, algoritmen genererade omedelbart kartan över alla möjliga krafter som roboten kunde tillämpa och positionen för blocket som skulle resultera.

"Vi gjorde flera tusen tryck för att verifiera att vår modell korrekt förutsäger vad som händer i den verkliga världen, "Säger Holladay." Om vi ​​applicerar ett tryck som är inuti konen, det greppade föremålet bör förbli under kontroll. Om det är utanför, objektet ska glida ur greppet. "

Forskarna fann att algoritmens förutsägelser på ett tillförlitligt sätt matchade det fysiska resultatet i labbet, planera ut rörelserekvenser - som att rikta om blocket mot stapeln innan du lägger det på ett bord i upprätt läge - på mindre än en sekund, jämfört med traditionella algoritmer som tar över 500 sekunder att planera.

"Eftersom vi har den här kompakta representationen av mekaniken i denna trevägsinteraktion mellan robot, objekt, och deras miljö, vi kan nu attackera större planeringsproblem, "Säger Rodriguez.

Gruppen hoppas kunna tillämpa och utöka sitt tillvägagångssätt så att en robotgripare kan hantera olika typer av verktyg, till exempel i en tillverkningsmiljö.

"De flesta fabriksrobotar som använder verktyg har en specialdesignad hand, så istället för att ha förmågan att ta tag i en skruvmejsel och använda den på många olika sätt, de gör bara handen till en skruvmejsel, "Säger Holladay." Du kan tänka dig att det kräver mindre rörlig planering, men det är mycket mer begränsande. Vi skulle vilja att en robot skulle kunna använda och plocka upp många olika saker. "