Двуногие русские роботы сыграют в футбол

С чего все начиналось

«А раз мне удалось разработать теоретическую основу человекоподобного позитронного мозга, мне потребовалось для него человекоподобное тело. Мозг сам по себе не существует, вы понимаете? Он взаимодействует с телом, так что человекоподобный мозг в нечеловекоподобном теле сам в какой-то мере станет нечеловечным», — Айзек Азимов, «Роботы Зари».

Во всем, что касается робототехники, Япония шагает впереди планеты всей. Широкое распространение роботов и прогресс робототехники обусловлены здесь не только достижениями в сфере высоких технологий. Во многом это объясняется рядом культурных факторов, в том числе религиозных. Христианская философия исходит из того, что люди были созданы Богом по своему образу и подобию, поэтому изготовление человекоподобных машин априори греховно. Религия синто у японцев имеет принципиально иной подход к понятиям живого, божественного и духовного, согласно которому многие явления и предметы — ветер, деревья, водопады, камни — наделены душой, поэтому у японца, выросшего на догмах синтоизма, одушевление машины не вызывает такого неприятия, как у христиан. Если в христианском искусстве робот чаще всего является олицетворением зла, то в японском, особенно в мультфильмах, — это лучший друг и помощник человека.

Поэтому неудивительно, что прообразы нынешних роботов — механические игрушки каракури нингё — появились в Японии еще в средние века. В эпоху Эдо (1600–1868 гг.), когда страна была отрезана от остального мира, сформировалась уникальная национальная культура. Одним из проявлений этого процесса стало создание механических игрушек, способных, например, подносить чай, нагонять прохладу веером, играть на музыкальных инструментах, танцевать или спускаться по ступеням, делая при этом сальто назад. В дни больших праздников в некоторых храмах устраивались целые представления механических игрушек, а на улицы выкатывали повозки, на которых разворачивалось какое-нибудь несложное действо в жанре каракури.

Прелесть игрушки каракури нингё, все действия которой совершались благодаря натянутым внутри корпуса игрушки струнам, состояла в том, что в нее была заложена способность время от времени ошибаться, присущая и человеку, что принципиально отличало от неизменной в своем механическом постоянстве западной игрушки.

Семейство — человекоподобные, Вид — роботы

Проводить исследования в области робототехники, связанной с человекоподобными роботами, — мечта многих ученых. Успех гуманоидов компаний HONDA и SONY, изменил стандарты и перспективы, на которые ориентировалось научное сообщество. В наши дни создание двуногих шагающих человекоподобных роботов стало реальностью, и в ближайшее время мы ждем от множества университетов и корпоративных научно-исследовательских лабораторий создания своих собственных гуманоидов. Через несколько лет появление подобных роботов будет обычным явлением², а новым приоритетом станет совершенствование их способностей, например, быстроты передвижения, гибкости при движении и поворотах, прыгучести и других.

Вообще, влияние человекоподобных роботов на развитие общества и промышленности имеет огромное значение, поэтому научно-исследовательские разработки в области заслуживают больших инвестиций. Одним из основных преимуществ гуманоида по сравнению с колесным роботом является его гибкость при передвижении. В то время как мобильность колесного робота ограничена движением по поверхности или по откосу, гуманоид может передвигаться по пересеченной местности, подниматься и спускаться по лестнице. Он может свободно маневрировать в бытовых помещениях, в которые колесный робот не сможет даже «войти». Основные исследования разработчиков сфокусированы на разработке роботов-гуманоидов, которые смогут работать в одном помещении с человеком (офис, общественное пространство, частный дом).

Сложный рельеф местности может оправдать использование многоногих роботов, однако они не приспособлены для заданий, которые включают такие манипуляции, как, например, хватание летящего объекта. Если создавать многоногого робота для подобных целей, придется устанавливать дополнительные рукоподобные манипуляторы, что сделает неэффективным его производство. Ранние опыты создания колесных роботов для участия в RoboCup доказали, что колесные роботы не могут «вести мяч», если у них нет дополнительных устройств, которые выполняют такие же действия как ноги человека.

Очевидно, что для того, чтобы можно было требовать от роботов реальной игры в футбол, необходимо создать человекоподобного робота, который может быстро ходить, бегать, прыгать, бить по мячу. Игроки-гуманоиды должны быть двуногими, подобно игрокам-людям. В предыдущем материале мы ответили на вопрос, почему в качестве движущей силы прогресса используется футбольная игра. Здесь нам хотелось бы объяснить, почему для выполнения этой задачи требуются именно роботы-гуманоиды, которых некоторые считают лишь карикатурой на человека, полагая, что придавать машине сходство с людьми излишне.

Дело в том, что футбол — это отличный повод для создания гуманоида с высокой степенью мобильности и гибким поведением. Очевидно, что игроки-гуманоиды должны уметь справляться со сложными ситуациями в ходе взаимодействия с другими роботами и людьми, так как в настоящее время идет речь об использовании роботов в реальном мире. Мы также должны учитывать сохранившиеся предубеждения против «механических людей». Как и раньше человек инстинктивно опасается робота, тем более «мыслящего», каким в идеале должен стать человекоподобный робот. В рассказах Айзека Азимова поведение роботов было ограничено 3 законами робототехники³, но, даже зная это, люди продолжали опасаться тех, кого они создали собственными руками.

ASIMO (Honda), «открывал» первые в истории игры лиги человекоподобных роботов

SDR-4X (Sony)

Стратегическое планирование
Этот вопрос касается и роботов-футболистов на колесах, но игроки-гуманоиды имеют значительно более широкий выбор стратегий благодаря возросшим способностям держать мяч в руках и маневренности. Колесные роботы, а на раннем этапе RoboCup абсолютное большинство роботов было на колесах, просто отбивали мяч своей фронтальной частью. Организаторам RoboCup хотелось бы видеть, как гуманоид обводит мяч, направляет его в сторону или назад, подкручивает мяч, чтобы пробить удар по кривой траектории. Кроме этого, он должен суметь поймать мяч прежде, чем тот попадет в ворота, и осуществить вбрасывание мяча на поле при помощи своих «рук».

Обучение
Изучение моделей поведения и тактик — самая главная проблема для робототехников, ведущих подготовку своих машин к участию в RoboCup. Для того чтобы выработать согласованные последовательности движений, развить координацию полученной от сенсоров информации и движений, обучение просто необходимо. Для достижения высоких результатов процесс обучения должен проводиться на робототехнической платформе, оснащенной чуткими сенсорами и обладающей высокой степенью свободы. Это позволит гуманоиду, с заложенными в нем начальными знаниями, не только автоматически обучаться в процессе эксплуатации (т.е.  приобретать новые знания и умения), но и развиваться (стремиться к обучению и применять выученное на практике).

Мозг и мышление
Большинство вопросов по поводу распознавания, которые применимы к колесным роботам, актуальны и для футболистов-гуманоидов. Такие вопросы являются основой для стратегического планирования, перепланирования, мышления в реальном времени и других абстрактных стратегий и тактик. Что касается футболиста-гуманоида, то пропорционально степени свободы его корпуса резко возрастают возможности стратегического выбора. Другими словами, цифровые мозги, которые «мыслят» подобно мозгу человека, требуют возможностей человекоподобного тела. Для создания «мозгов» для гуманоидов наряду с такими известными технологиями как нейросети или преобразования Фурье и другими используются новейшие технологии, такие как «Симбиотический интеллект» (Symbiotic Intelligence) или просто — «Цифровой Мозг»⁴. Причем применение, например, последней технологии отнюдь не ограничивается робототехникой — она позволяет создавать системы адаптивного управления любыми произвольными объектами, имеющими сенсоры и органы. Ее свойства могут успешно применяться, например, в следующих системах:

• распознавания образов;
• мониторинга, диагностики и управления процессами;
• безопасности и поддержки принятия решений;
• в многоязычных текстовых и мультимедийных информационных хранилищах;
• в базах знаний и экспертных системах.

Качество всех этих систем базируется в первую очередь на возможности быстро и с высокой точностью распознавать любые N-мерные (текст, видео, аудио), даже сильно зашумлённые образы, быстро предсказывать контекст развития событий и принимать эффективные решения. А на практике, машинные мозги, первоначально создаваемые для человекоподобных роботов, уже нашли применение в индустрии развлечений, особенно в производстве домашних роботов, и в военной промышленности. Если говорить о конкретных примерах, то сфера применения этих технологий может простираться от создания автопилотируемых систем, антиспам-фильтра до поиска новостных событий, отвечающих вашим интересам и самонастраиваемого программного обеспечения и интерфейсов.

Стандарт

Как отмечают сами создатели RoboCup, Хироаки Китано и Минору Асада, полноценные футбольные матчи с участием гуманоидов все-таки невозможны без стандартизированной оценки эффективности их деятельности. Ученые предложили схему аттестации эффективности работы робота, чтобы оценить прогресс мобильности его действий. Кстати говоря, создание стандарта, который позволит обмениваться проектами и компонентами должно способствовать существенному прогрессу робототехники и дальнейшей эволюции цифровых мозгов. Итак, аттестация должна включать базовые типы поведения, например, ходьбу, бег, изменение скорости, поворот, прыжок и слежение за объектом. Кроме того, в нее должны быть включены комбинированные типы поведения, такие как — следование за объектом, избежание столкновений, удар по неподвижному мячу, удар по движущемуся мячу и перехват движущегося мяча. В будущем потребуется одновременно подключать также проблемы распознавания — системы слуха, прогнозирование ситуации. Ведь именно несовместимость стандартных компонентов и программного обеспечения являются основным препятствием прогрессу робототехники, так как большинство компонентов для роботов изготовлены кустарным способом и совершенно не совместимы с другими системами.

Дорога к Кубку мира

Выступление роботов лиги гуманоидов на RoboCup 2003 обещает быть самым зрелищным мероприятием Чемпионата. В прошлом году в нем приняло участие 13 роботов из Австралии, Дании, Новой Зеландии, Сингапура, Швеции и Японии, в этом — планируется выступление 12 команд из 8 стран, из которых шестеро — участники прошлогодних соревнований.

Вот они — ветераны лиги гуманоидов, роботы которые выходят на поле RoboCup уже второй сезон

Ветераны лиги гуманоидов выйдут на поле RoboCup 2003 уже второй сезон подряд

Tao-Pie-Pie	GuRoo	Senchans
Murphy	ERATO Kitano Project	Foot-Prints