Gepubliseer op: 18 Maart 2025 / Opgedateer op: 18 Maart 2025 – Outeur: Konrad Wolfenstein
Humanoïde Staanbeheer: Met HoST leer humanoïdes om op te staan – Die deurbraak vir robotte in die alledaagse lewe – Beeld: humanoid-standingup.github.io
Meer as net opstaan: HoST baan die weg vir outonome en veelsydige humanoïde robotte
Van simulasie tot werklikheid: Hoe HoST humanoïde robotte leer om onafhanklik op te staan
In die fassinerende wêreld van humanoïde robotika, waar masjiene toenemend menslike vermoëns naboots, speel 'n oënskynlik eenvoudige, maar fundamenteel belangrike vaardigheid 'n sentrale rol: staan. Vir ons mense is dit tweede natuur, 'n onbewuste beweging wat ons elke dag tallose kere uitvoer. Maar vir 'n humanoïde robot is staan 'n komplekse uitdaging wat gesofistikeerde beheerstelsels, presiese sensors en intelligente algoritmes vereis. Hierdie vermoë is nie net 'n indrukwekkende demonstrasie van ingenieursvernuf nie, maar ook 'n noodsaaklike voorvereiste vir humanoïde robotte om hul plek in ons daaglikse lewens te vind en ons in 'n wye reeks take te ondersteun.
Die vermoë om vanuit verskeie posisies op te staan, is veel meer as net 'n lekker ekstra kenmerk. Dit is die fondament vir die outonomie en veelsydigheid van humanoïde robotte. Stel jou voor 'n robot wat jou in die huis help, met versorging help, of in gevaarlike omgewings werk. In al hierdie scenario's is die vermoë om onafhanklik vanuit verskillende posisies op te staan van kardinale belang. 'n Robot wat slegs in ideale beginposisies funksioneer en hulpeloos gelaat word na 'n val, is eenvoudig nutteloos in die werklike wêreld. Die ontwikkeling van robuuste en veelsydige staanstrategieë is dus 'n belangrike stap om humanoïde robotte uit die navorsingslaboratorium na die werklike wêreld te bring.
Vorige benaderings tot die oplossing van hierdie probleem het dikwels hul perke bereik. Baie het staatgemaak op noukeurig voorafgeprogrammeerde bewegingsreekse wat in beheerde omgewings gefunksioneer het, maar vinnig hul perke in onvoorspelbare werklikheid bereik het. Hierdie rigiede stelsels was onbuigsaam, nie in staat om by veranderende toestande aan te pas nie, en het jammerlik misluk toe die robot in 'n onverwagte posisie of op ongelyke grond geland het. Ander benaderings het komplekse simulasie-omgewings gebruik, maar hul resultate was dikwels moeilik om na regte robotte oor te dra. Die sprong van simulasie na werklikheid, die sogenaamde "sim-tot-regte oordrag", het 'n struikelblok vir baie belowende navorsingsbenaderings geblyk te wees.
In hierdie konteks ontstaan 'n innoverende raamwerk wat die manier waarop ons dink oor humanoïde robotte wat staan, fundamenteel kan verander: HoST, kort vir Humanoid Standing-up Control. HoST is meer as net nog 'n metode; dit is 'n paradigmaskuif. Ontwikkel deur 'n konsortium van bekende universiteite in Asië , insluitend die Sjanghai Jiao Tong Universiteit, die Universiteit van Hong Kong, Zhejiang Universiteit en die Chinese Universiteit van Hong Kong, breek HoST met tradisionele benaderings en smee 'n heeltemal nuwe pad om humanoïde robotte te leer om op te staan – op 'n manier wat verbasend veelsydig, robuust en realisties is.
Geskik vir:
HoST: 'n Raamwerk wat uit foute leer
Die kern van HoST se innovasie lê in die toepassing van versterkingsleer (RL), 'n masjienleermetode geïnspireer deur hoe mense en diere leer. Stel jou voor jy leer 'n kind fietsry. Jy gee hulle nie gedetailleerde instruksies vir elke spierbeweging nie; in plaas daarvan laat jy hulle eenvoudig probeer. As die kind val, korrigeer hulle hul bewegings met die volgende poging. Deur middel van probeerslae, deur positiewe en negatiewe terugvoer, leer die kind geleidelik om die fiets te bemeester. Versterkingsleer werk op 'n soortgelyke beginsel.
In die HoST-projek word 'n humanoïde robot in 'n gesimuleerde omgewing geplaas en die taak gekry om vanuit verskeie posisies op te staan. Die robot tree op as 'n "agent" binne hierdie omgewing en voer aksies uit, in hierdie geval bewegings van sy gewrigte en liggaam. Vir elke aksie ontvang dit 'n "beloning" of "straf", afhangende van sy sukses. Om op te staan, lei tot 'n positiewe beloning, terwyl val of ongewenste bewegings 'n negatiewe beloning tot gevolg het. Deur tallose proewe, ervaringsopbrengs en strategie-optimalisering leer die robot geleidelik om die beste moontlike staanstrategie te ontwikkel.
Die deurslaggewende verskil van vorige RL-gebaseerde benaderings is dat HoST van nuuts af leer. Dit gebruik geen voorafgeprogrammeerde bewegingspaaie, geen menslike demonstrasies of ander voorafkennis nie. Die robot begin met 'n skoon bladsy en ontwikkel sy staanstrategieë heeltemal onafhanklik. Dit is 'n fundamentele vooruitgang omdat dit die stelsel toelaat om oplossings te vind wat moontlik ver oortref wat menslike ingenieurs kon bedink. Verder maak dit die stelsel uiters aanpasbaar, aangesien dit nie afhanklik is van rigiede aannames of menslike vooroordele nie.
Die magie van multi-kritiese argitektuur
Nog 'n sleutelelement van die HoST-innovasie is die multikritiese argitektuur. Om dit te verstaan, moet ons kortliks ondersoek hoe versterkingsleer werk. In tipiese RL-stelsels is daar twee sentrale komponente: die akteur en die kritikus. Die akteur is, so te sê, die robot se brein, wat aksies kies en besluit watter bewegings uitgevoer moet word. Die kritikus evalueer die akteur se aksies en gee terugvoer. Dit sê vir die akteur of sy aksies goed of sleg was en hoe dit verbeter kan word. In tradisionele RL-benaderings is daar gewoonlik slegs 'n enkele kritikus.
HoST breek met hierdie konvensie en steun eerder op verskeie gespesialiseerde kritici. Stel jou voor dat opstaan verskeie belangrike aspekte behels: die handhawing van balans, die aanneem van die korrekte postuur, die koördinering van die gewrigte en die beheer van rotasiemomentum. Elk van hierdie aspekte kan deur sy eie "kenner" geëvalueer word. Dit is presies wat die multikritiek-argitektuur doen. HoST gebruik verskeie kritikusnetwerke, wat elk spesialiseer in 'n spesifieke aspek van die staanproses. Byvoorbeeld, een kritikus kan balans evalueer, 'n ander gewrigskoördinasie en 'n derde rotasiemomentum.
Hierdie verdeling in gespesialiseerde kritici het geweldig effektief geblyk. Dit los 'n probleem op wat dikwels in tradisionele leerbestuurstelsels ontstaan: negatiewe inmenging. Wanneer 'n enkele kritikus probeer om alle aspekte van 'n komplekse taak gelyktydig te evalueer, kan konflikte en verwarring ontstaan. Die verskillende leerdoelwitte kan mekaar belemmer, die leerproses vertraag of selfs veroorsaak dat dit misluk. Die multikritiese argitektuur omseil hierdie probleem deur die leertaak op te breek in kleiner, meer hanteerbare subtake en 'n gespesialiseerde kritikus aan elke subtaak toe te ken. Die akteur ontvang dan terugvoer van alle kritici en leer om die verskillende aspekte van opstaan optimaal te kombineer.
Hierdie multikritiese argitektuur is veral relevant vir die komplekse taak van opstaan. Staan vereis 'n verskeidenheid fyn motoriese vaardighede en presiese beheer van rotasiemomentum om balans te handhaaf en val te vermy. Deur sy gespesialiseerde kritikus kan HoST spesifiek hierdie verskillende aspekte van opstaan oplei en optimaliseer, wat lei tot aansienlik beter resultate as konvensionele benaderings wat 'n enkele kritikus gebruik. Die navorsers het in hul studies gedemonstreer dat die multikritiese argitektuur 'n beduidende prestasieverbetering moontlik maak en HoST toelaat om staanstrategieë te ontwikkel wat onbereikbaar sou wees met konvensionele metodes.
Kurrikulumleer: Van eenvoudig tot kompleks
Nog 'n sleutel tot HoST se sukses is kurrikulumgebaseerde opleiding. Hierdie metode is gebaseer op die menslike leerproses, waarin ons stap vir stap komplekse vaardighede aanleer, beginnende met eenvoudige basiese beginsels en dan geleidelik ons pad opwerk na moeiliker take. Dink weer aan die voorbeeld van fietsry. Voordat 'n kind leer om op twee wiele te ry, kan hulle eers leer om op 'n balansfiets te balanseer of oefenwiele te gebruik. Hierdie voorbereidende oefeninge fasiliteer die latere leerproses en verseker vinniger en meer suksesvolle vordering.
HoST implementeer 'n soortgelyke beginsel. Die robot word nie van die begin af met die moeilikste taak gekonfronteer nie – naamlik om van enige posisie op enige oppervlak op te staan. In plaas daarvan ondergaan dit 'n gelaagde kurrikulum waarin die take geleidelik meer kompleks word. Opleiding begin met eenvoudige scenario's, soos om van 'n lêposisie op 'n plat vloer op te staan. Sodra die robot hierdie taak bemeester het, word die toestande progressief meer uitdagend. Nuwe beginposisies word bygevoeg, soos om van 'n sittende posisie op te staan of van lê en teen 'n muur leun. Die oppervlak is ook gevarieerd, van plat vloere tot effens ongelyke oppervlaktes en uiteindelik tot meer veeleisende terrein.
Hierdie kurrikulumgebaseerde opleiding bied verskeie voordele. Eerstens maak dit meer doeltreffende verkenning van die oplossingsruimte moontlik. Die robot fokus aanvanklik op die fundamentele aspekte van staan en leer om dit in eenvoudige scenario's te bemeester. Dit versnel die leerproses, wat die robot in staat stel om vinniger 'n goeie prestasievlak te bereik. Tweedens verbeter die kurrikulum die model se veralgemeenbaarheid. Deur die robot geleidelik aan meer diverse en komplekse take bloot te stel, leer dit om by verskillende situasies aan te pas en robuuste staanstrategieë te ontwikkel wat nie net in ideale nie, maar ook in werklike omgewings funksioneer. Die verskeidenheid opleidingsomstandighede is van kritieke belang vir die stelsel se robuustheid in die werklike wêreld, waar onvoorspelbare oppervlaktes en beginposisies die reël is, nie die uitsondering nie.
Geskik vir:
Realisme deur bewegingsbeperkings
Nog 'n belangrike aspek van HoST is die oorweging van werklike toepaslikheid. Terwyl simulasies 'n kragtige instrument vir robotopleiding is, is die werklike wêreld baie meer kompleks en onvoorspelbaar. Om die gaping tussen simulasie en die werklikheid suksesvol te oorbrug, implementeer HoST twee noodsaaklike bewegingsbeperkings wat verseker dat die aangeleerde strategieë op werklike hardeware toegepas kan word sonder om die robot te beskadig.
Die eerste beperking is gladheidsregularisering. Dit is daarop gemik om ossillerende bewegings te verminder. In simulasies kan robotte bewegings uitvoer wat in werklikheid problematies sou wees. Hulle kan byvoorbeeld rukkerige, bewerige bewegings maak wat die fisiese hardeware kan beskadig of tot onstabiele gedrag kan lei. Gladde regularisering verseker dat die aangeleerde bewegings gladder en meer vloeibaar is, wat nie net sagter op die hardeware is nie, maar ook lei tot meer natuurlike en stabiele staangedrag.
Die tweede beperking is die implisiete spoedbeperking. Dit verhoed oordrewe vinnige of skielike bewegings. Weereens verteenwoordig simulasies dikwels geïdealiseerde toestande waarin robotte bewegings teen onrealisties hoë snelhede kan uitvoer. In die werklike wêreld kan sulke skielike bewegings egter die robot beskadig, byvoorbeeld deur die motors te oorlaai of die gewrigte te beskadig. Die spoedbeperking verseker dat die aangeleerde bewegings binne die fisiese perke van die werklike hardeware bly en nie die robot in gevaar stel nie.
Hierdie bewegingsbeperkings is van kritieke belang vir die oordrag van simulasie-na-werklike kennis. Dit verseker dat strategieë wat in simulasie aangeleer word, nie net teoreties werk nie, maar ook prakties op werklike robotte geïmplementeer kan word sonder om die hardeware te oorlaai of te beskadig. Dit is 'n belangrike stap om die gaping tussen simulasie en die werklikheid te oorbrug en humanoïde robotte voor te berei vir gebruik in die werklike wêreld.
Die praktiese toets: HoST op die Unitree G1
Die ware toets van enige robotbeheermetode is die praktiese implementering daarvan op werklike hardeware. Om HoST se vermoëns te demonstreer, het die navorsers die beheerstrategieë wat in die simulasie geleer is, oorgedra na die Unitree G1 humanoïde robot. Die Unitree G1 is 'n gevorderde humanoïde platform wat gekenmerk word deur sy ratsheid, robuustheid en realistiese ontwerp. Dit is 'n ideale toetsplatform vir die evaluering van HoST se vermoëns in die werklike wêreld.
Die resultate van die praktiese toetse was indrukwekkend en het die doeltreffendheid van die HoST-benadering bevestig. Die Unitree G1-robot, wat deur HoST beheer word, het merkwaardige staanvermoëns vanuit 'n wye verskeidenheid posisies gedemonstreer. Dit het suksesvol opgestaan vanuit 'n lêposisie, 'n sittende posisie, 'n knielposisie, en selfs vanuit posisies waar dit teen voorwerpe of op ongelyke grond geleun het. Die oordrag van die gesimuleerde vermoëns na die werklike wêreld was byna naatloos, wat die hoë gehalte van HoST se sim-na-werklike oordrag beklemtoon.
Van besondere belang is die robuustheid teen steurnisse wat deur die HoST-beheerde Unitree G1 gedemonstreer is. In eksperimentele toetse is die robot aan eksterne kragte onderwerp, soos stampe en impakte. Dit is gekonfronteer met hindernisse wat sy vermoë om op te staan, belemmer het. Dit is selfs met swaar vragte (tot 12 kg) gelaai om sy stabiliteit en dravermoë te toets. In al hierdie situasies het die robot merkwaardige veerkragtigheid getoon en homself suksesvol regop gestel sonder om sy balans te verloor of om te val.
'n Indrukwekkende demonstrasievideo het die robuustheid van HoST duidelik geïllustreer. Dit het 'n persoon gewys wat die Unitree G1-robot stoot en skop terwyl dit opgestaan het. Ten spyte van hierdie beduidende steurnisse het die robot ongestoord gebly. Dit het sy bewegings intyds reggestel, aangepas by die onverwagte impakte, en uiteindelik veilig en stabiel opgestaan. Hierdie demonstrasie illustreer indrukwekkend die praktiese toepaslikheid en betroubaarheid van die HoST-stelsel in werklike, onvoorspelbare omgewings.
Geskik vir:
Ablasiestudies: Die wisselwerking van komponente
Om die belangrikheid van HoST se individuele komponente van nader te ondersoek, het die navorsers uitgebreide ablasiestudies uitgevoer. In hierdie studies is individuele elemente van die HoST-raamwerk verwyder of gewysig om hul impak op algehele prestasie te analiseer. Die resultate van hierdie studies het waardevolle insigte in HoST se funksionaliteit verskaf en die belangrikheid van sy kerninnovasies bevestig.
'n Sleutelbevinding van die ablasiestudies was die bevestiging van die deurslaggewende rol van die multikritiese argitektuur. Toe die navorsers die stelsel aangepas het om slegs 'n enkele kritikus te gebruik, het die stelsel jammerlik misluk. Dit was nie meer in staat om suksesvolle staanpatrone te leer nie, en die robot het in die meeste gevalle hulpeloos bly lê. Hierdie resultaat beklemtoon die sentrale belangrikheid van die multikritiese argitektuur vir HoST se prestasie en bevestig dat die gespesialiseerde kritikus wel 'n beduidende bydrae tot leersukses lewer.
Kurrikulumgebaseerde opleiding het ook 'n sleutelfaktor vir sukses in die ablasiestudies geblyk te wees. Toe die navorsers die kurrikulum met gerandomiseerde opleiding vervang het sonder 'n geleidelike toename in moeilikheidsgraad, het die stelsel se prestasie aansienlik versleg. Die robot het stadiger geleer, 'n laer prestasievlak bereik en was minder robuust teenoor verskillende beginposisies en oppervlaktes. Dit bevestig die aanname dat kurrikulumgebaseerde opleiding die doeltreffendheid van die leerproses verbeter en die model se veralgemeenbaarheid verhoog.
Die geïmplementeerde bewegingsbeperkings het ook beduidend tot die algehele prestasie bygedra, veral met betrekking tot praktiese toepaslikheid. Toe die navorsers die gladheidsregularisering en die bewegingspoedlimiet verwyder het, het die robot steeds herstelstrategieë in die simulasie geleer, maar dit was minder stabiel in werklikheid en het meer gereeld tot valle of ongewenste, rukkerige bewegings gelei. Dit toon dat terwyl bewegingsbeperkings die stelsel se buigsaamheid in die simulasie effens beperk, hulle in die werklike wêreld noodsaaklik is om robuuste, veilige en hardeware-vriendelike gedrag te verseker.
HoST: 'n Springplank vir veelsydige humanoïde robotte
Die vermoë om vanuit verskillende posisies op te staan, mag dalk met die eerste oogopslag triviaal lyk, maar dit is in werklikheid 'n fundamentele stukkie van die legkaart vir die ontwikkeling van werklik veelsydige en outonome humanoïde robotte. Dit vorm die basis vir integrasie in meer komplekse voortbewegings- en manipulasiestelsels en maak 'n menigte nuwe toepassingsmoontlikhede oop. Stel jou 'n robot voor wat nie net kan opstaan nie, maar ook naatloos tussen verskillende take kan beweeg – van die bank af opstaan, na die tafel loop, voorwerpe gryp, hindernisse vermy en weer opstaan as dit struikel. Hierdie soort naatlose interaksie met die omgewing, wat tweede natuur vir ons mense is, is die doel van humanoïde robotika, en HoST bring ons 'n belangrike stap nader daaraan om dit te bereik.
Met HoST kan humanoïde robotte in die toekoms in 'n verskeidenheid velde gebruik word waar hul menslike vorm en vermoë om met die menslike omgewing te kommunikeer voordelig is. In versorging kan hulle bejaardes of siek mense ondersteun, hulle help om op te staan en te sit, hulle voorwerpe te oorhandig of met huishoudelike take te help. In die dienstesektor kan hulle in hotelle, restaurante of winkels gebruik word om kliënte te bedien, goedere te vervoer of inligting te verskaf. In gevaarlike omgewings, soos rampverligting of industriële aanlegte, kan hulle take oorneem wat te riskant of inspannend vir mense is.
Verder is die vermoë om op te staan noodsaaklik vir herstel na 'n val. Valle is 'n algemene probleem vir humanoïde robotte, veral in ongelyke of dinamiese omgewings. 'n Robot wat nie self na 'n val kan opstaan nie, word vinnig hulpeloos in sulke omgewings. HoST bied hier 'n oplossing, aangesien dit die robot in staat stel om homself selfs vanuit onverwagte posisies reg te stel en sy taak voort te sit. Dit verhoog die betroubaarheid en veiligheid van humanoïde robotte, wat hulle meer robuuste en praktiese gereedskap maak.
HoST baan die weg vir 'n nuwe generasie humanoïde robotte
HoST is meer as net 'n evolusie van bestaande metodes; dit verteenwoordig 'n beduidende deurbraak in die beheer van humanoïde robotte. Deur die innoverende gebruik van versterkingsleer met 'n multikritiese argitektuur en kurrikulumgebaseerde opleiding, oorkom dit die beperkings van vorige benaderings, wat robotte in staat stel om vanuit 'n merkwaardige verskeidenheid posisies en op diverse oppervlaktes op te staan. Die suksesvolle oordrag van simulasie na werklike robotte, wat op die Unitree G1 gedemonstreer is, en die indrukwekkende robuustheid daarvan teen steurnisse, beklemtoon die enorme potensiaal van hierdie metode vir praktiese toepassings.
HoST is 'n belangrike stap in die rigting van humanoïde robotte wat nie net in die laboratorium beïndruk nie, maar ook werklike toegevoegde waarde in die werklike wêreld kan bied. Dit bring ons nader aan die visie van 'n toekoms waar humanoïde robotte naatloos in ons daaglikse lewens geïntegreer word, ons in 'n verskeidenheid take ondersteun en ons lewens veiliger, gemakliker en doeltreffender maak. Met tegnologieë soos HoST word die eens futuristiese idee van humanoïde robotte wat ons in ons daaglikse lewens vergesel, toenemend tasbaar.
Geskik vir:
Jou globale bemarkings- en besigheidsontwikkelingsvennoot
☑️ Ons besigheidstaal is Engels of Duits
☑️ NUUT: Korrespondensie in jou landstaal!
Konrad Wolfenstein
Ek sal graag jou en my span as 'n persoonlike adviseur dien.
Jy kan my kontak deur die kontakvorm hier in te vul of bel my eenvoudig by +49 89 89 674 804 (München) . My e-posadres is: wolfenstein ∂ xpert.digital
Ek sien uit na ons gesamentlike projek.
