迪士尼開發(fā)防抖動(dòng)畫算法助力機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更穩(wěn)定

迪士尼的研究人員研發(fā)了一種新算法，可以將使用傳統(tǒng)動(dòng)畫軟件創(chuàng)造的動(dòng)作轉(zhuǎn)移到機(jī)器人身上，同時(shí)減少機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。迪士尼的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在SIGGRAPH 2019上發(fā)表的論文《Vibration-Minimizing MoTIon RetargeTIng for RoboTIc Characters》，介紹了這種機(jī)器人減振方法，能有效的使機(jī)器人做出動(dòng)作時(shí)不再發(fā)生劇烈搖擺。

下面我們一起根據(jù)迪士尼的動(dòng)畫演示直觀的了解一下這種減振算法能產(chǎn)生什么樣的效果。由于物理定律，設(shè)計(jì)和編程機(jī)器人很難做到讓機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中保持平穩(wěn)的移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人部件動(dòng)態(tài)移動(dòng)時(shí)，它所連接的所有東西都會(huì)發(fā)生形態(tài)變化。

機(jī)器人振動(dòng)優(yōu)化算法能否起作用，很大程度取決于機(jī)器人模型本身的優(yōu)劣。隨著機(jī)器人變得越來越復(fù)雜高效，它能夠發(fā)生形態(tài)變化的部件也越來越多。從本質(zhì)上來講，每一處能發(fā)生彎曲的部件都會(huì)引發(fā)另一個(gè)部件的變化，這就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人全身產(chǎn)生劇烈的晃動(dòng)。

如果機(jī)器人非常龐大且堅(jiān)硬，那它發(fā)生的彎曲和晃動(dòng)可能并不明顯，但輕量級(jí)、設(shè)計(jì)用于人類周圍的機(jī)器人在做出動(dòng)作時(shí)會(huì)有明顯的形態(tài)變化并產(chǎn)生晃動(dòng)。這些部件的晃動(dòng)會(huì)使機(jī)器人無法高效的完成任務(wù)，甚至可能造成破壞。

迪士尼的動(dòng)畫設(shè)計(jì)師重新設(shè)計(jì)機(jī)器人要做的特定動(dòng)作，結(jié)合新算法優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)。這個(gè)算法工具還能預(yù)測(cè)機(jī)器人將產(chǎn)生怎樣的振動(dòng)，然后向電機(jī)發(fā)出指令，進(jìn)行微小但精準(zhǔn)的額外動(dòng)作來消除振動(dòng)，同時(shí)仍然使機(jī)器人按照動(dòng)畫設(shè)計(jì)的方式運(yùn)動(dòng)。

研究人員解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生晃動(dòng)問題的方法是，優(yōu)先抑制最明顯的大振幅振動(dòng)，即使是在結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的機(jī)器人上，這種優(yōu)先條件也能發(fā)揮作用。在拳擊動(dòng)作的演示中，研究人員將動(dòng)畫重新定位成具有13個(gè)自由度的人形機(jī)器人，在仿真模型和系統(tǒng)上用拳擊手套代替雙手。拳擊動(dòng)作包含更快速的運(yùn)動(dòng)和突然停止。

加速的動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致過度的振動(dòng)，特別是機(jī)器人閃避并移動(dòng)上半身時(shí)。在使用算法進(jìn)行優(yōu)化前，機(jī)器人電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)有9厘米左右的晃動(dòng)，經(jīng)過研究人員和動(dòng)畫設(shè)計(jì)的同時(shí)優(yōu)化，電機(jī)控制的晃動(dòng)被縮小在1.5厘米以內(nèi)，并保持了輸入的動(dòng)畫沒有明顯的視覺差異。

隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也在不斷進(jìn)步，越來越的的機(jī)器人開始出現(xiàn)在人類的日常工作和生活中。但目前，這些機(jī)器人的研究都還在朝著能讓機(jī)器人做出更多動(dòng)作、具備更多功能的方向發(fā)展。加強(qiáng)機(jī)器人的穩(wěn)定性，不僅能提高它的工作效率，也能更好的保護(hù)機(jī)器人各個(gè)部件不受損壞。機(jī)器人的功能變得越來越復(fù)雜，能完成的任務(wù)也越來越豐富多樣，如何讓機(jī)器人能更穩(wěn)定高效的完成任務(wù)成為了機(jī)器人技術(shù)發(fā)展新的研究方向。