計算機(jī)科學(xué)家研發(fā)出了一種專為機(jī)器人運動規(guī)劃設(shè)計的新型計算處理器，可以極大地提升運動規(guī)劃的速度。
人類一旦在蹣跚學(xué)步時掌握了竅門，就變得非常擅長機(jī)器人學(xué)家口中所說的“運動規(guī)劃”（motion planning）：在障礙物四周摸索，在一個塞滿了東西的冰箱里準(zhǔn)確地抓起一瓶飲料，或者把手伸到電腦屏幕后面摸到插線口并把纜線連接起來。
但是對于那些有多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的機(jī)器人來說，運動規(guī)劃是非常困難的，需要十分耗時的計算。在一個并沒有為機(jī)器人特意優(yōu)化設(shè)計過的環(huán)境中，讓機(jī)器人撿起一個物品甚至需要數(shù)秒的計算。
杜克大學(xué)（Duke University）的研究人員研發(fā)了一種為運動規(guī)劃特別設(shè)計的計算處理器，它的運算速度比現(xiàn)有的設(shè)備要快1萬倍，而且其耗能則要低得多。這款新型計算處理器非常快，能夠?qū)崟r規(guī)劃和執(zhí)行。而且它功耗十分低，使其可以應(yīng)用在包括幾千個機(jī)器人的大規(guī)模制造環(huán)境中。“當(dāng)你在考慮一條汽車裝配生產(chǎn)線時，整個環(huán)境是受到嚴(yán)格控制的，這樣機(jī)器人可以不厭其煩地一遍遍重復(fù)相同的動作，”杜克大學(xué)計算機(jī)科學(xué)及電子和計算機(jī)工程助理教授George Konidaris表示。
“汽車的零部件每次都在同個地方，機(jī)器人被局限在籠中，這樣就不會受到旁人的干擾。但是如果你的機(jī)器人進(jìn)行實時運動規(guī)劃，不管汽車零部件是不是在同一個地方，出乎意外地隨意堆放在一起，還是有人從旁走過，它總能做出正確的動作。”
Konidaris表示，快速運動規(guī)劃能夠節(jié)省布置機(jī)器人周遭環(huán)境所需的時間和成本。他在6月20日在密歇根州安娜堡召開的“機(jī)器人技術(shù)：科學(xué)與系統(tǒng)工程”（Robotics: Science and Systems）的會議上展示了他的新研究。
運動規(guī)劃領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)行了30年，最近這個領(lǐng)域的新進(jìn)展已經(jīng)能把復(fù)雜機(jī)器人的規(guī)劃時間減低到幾秒的程度。除了幾個特例以外，這些現(xiàn)有的方法一般依賴通用CPU，或是計算速度更快，但是非常耗能的圖形處理器（GPU）。
杜克大學(xué)的團(tuán)隊卻造出了一種專門為運動規(guī)劃設(shè)計的新型處理器。
“通用CPU善于處理多種任務(wù)，但是卻無法和精于單一任務(wù)的處理器相媲美，”杜克大學(xué)電氣和計算機(jī)工程和計算機(jī)科學(xué)教授Daniel Sorin表示。Konidaris和Sorin的團(tuán)隊讓該處理器能夠執(zhí)行碰撞檢測的任務(wù)，它是運動規(guī)劃中最為耗時的部分。該處理器能夠并行執(zhí)行數(shù)以千計的碰撞檢測任務(wù)。Sorin表示，“我們對設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，讓硬件和功率預(yù)算專門服務(wù)于這些和運動規(guī)劃相關(guān)的特定任務(wù)。”這 個技術(shù)的原理是這樣的，把機(jī)械臂的操作空間分割成幾千個被稱為體積像素（voxel）的3D空間。然后該算法確定某個物體是否在預(yù)編程運動路徑所涵蓋的體素中。得益于特制的硬件，該技術(shù)能夠同時檢測數(shù)千個運動路徑，然后用余下的“安全”選項整合 出最短的可能運動路徑。
“此前最先進(jìn)的技術(shù)使用的是高性能的市售圖形處理器，它們的功耗是200~300瓦特，” Konidaris表示，“即使如此，也需要幾百毫秒，甚至幾秒鐘才能找到一個運動規(guī)劃方案。我們設(shè)計的處理器所需不到1毫秒，耗能不到10瓦特。即使我 們的速度不比他們的快，光節(jié)能這一塊就可以給有幾千，甚至幾百萬臺機(jī)器人的工廠節(jié)省可觀的成本。”
Konidaris進(jìn)而表示，該技術(shù)為運動規(guī)劃的應(yīng)用打開了新思路。“以前，運動規(guī)劃是每個動作單獨進(jìn)行的，因為規(guī)劃的過程非常慢，” Konidaris表示，“但是現(xiàn)在它的速度足夠快，可以成為更復(fù)雜的規(guī)劃算法的一部分，這個復(fù)雜規(guī)劃算法或許能把幾個簡單的動作串聯(lián)起來，或者能夠?qū)讉€物體的動作進(jìn)行預(yù)先推理規(guī)劃。”
該新處理器的速度和能效為自動化領(lǐng)域帶來了非常多的機(jī)會。Konidaris、Sorin和他們的學(xué)生十分看好該技術(shù)，并且為這項技術(shù)專門成立了一家公司Realtime Robotics。
Konidaris表示，“實時運動規(guī)劃將給機(jī)器人學(xué)帶來革命。”
這項研究的資金來源于美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）以及美國國立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health）。
來源：杜克大學(xué)
