計(jì)算機(jī)科學(xué)家研發(fā)出了一種專為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的新型計(jì)算處理器，可以極大地提升運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的速度。
人類一旦在蹣跚學(xué)步時(shí)掌握了竅門，就變得非常擅長(zhǎng)機(jī)器人學(xué)家口中所說(shuō)的“運(yùn)動(dòng)規(guī)劃”（motion planning）：在障礙物四周摸索，在一個(gè)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(lái)。
但是對(duì)于那些有多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是非常困難的，需要十分耗時(shí)的計(jì)算。在一個(gè)并沒(méi)有為機(jī)器人特意優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)的環(huán)境中，讓機(jī)器人撿起一個(gè)物品甚至需要數(shù)秒的計(jì)算。
杜克大學(xué)（Duke University）的研究人員研發(fā)了一種為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃特別設(shè)計(jì)的計(jì)算處理器，它的運(yùn)算速度比現(xiàn)有的設(shè)備要快1萬(wàn)倍，而且其耗能則要低得多。這款新型計(jì)算處理器非常快，能夠?qū)崟r(shí)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(gè)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(shí)，整個(gè)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(dòng)作，”杜克大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)及電子和計(jì)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(gè)地方，機(jī)器人被局限在籠中，這樣就不會(huì)受到旁人的干擾。但是如果你的機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，不管汽車零部件是不是在同一個(gè)地方，出乎意外地隨意堆放在一起，還是有人從旁走過(guò)，它總能做出正確的動(dòng)作。”
Konidaris表示，快速運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能夠節(jié)省布置機(jī)器人周遭環(huán)境所需的時(shí)間和成本。他在6月20日在密歇根州安娜堡召開(kāi)的“機(jī)器人技術(shù)：科學(xué)與系統(tǒng)工程”（Robotics: Science and Systems）的會(huì)議上展示了他的新研究。
運(yùn)動(dòng)規(guī)劃領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)行了30年，最近這個(gè)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(shí)間減低到幾秒的程度。除了幾個(gè)特例以外，這些現(xiàn)有的方法一般依賴通用CPU，或是計(jì)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(duì)卻造出了一種專門為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的新型處理器。
“通用CPU善于處理多種任務(wù)，但是卻無(wú)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(jì)算機(jī)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Daniel Sorin表示。Konidaris和Sorin的團(tuán)隊(duì)讓該處理器能夠執(zhí)行碰撞檢測(cè)的任務(wù)，它是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中最為耗時(shí)的部分。該處理器能夠并行執(zhí)行數(shù)以千計(jì)的碰撞檢測(cè)任務(wù)。Sorin表示，“我們對(duì)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃相關(guān)的特定任務(wù)。”這 個(gè)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(gè)被稱為體積像素（voxel）的3D空間。然后該算法確定某個(gè)物體是否在預(yù)編程運(yùn)動(dòng)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(shí)檢測(cè)數(shù)千個(gè)運(yùn)動(dòng)路徑，然后用余下的“安全”選項(xiàng)整合 出最短的可能運(yùn)動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方案。我們?cè)O(shè)計(jì)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(wàn)臺(tái)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃的應(yīng)用打開(kāi)了新思路。“以前，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是每個(gè)動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行的，因?yàn)橐?guī)劃的過(guò)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(gè)復(fù)雜規(guī)劃算法或許能把幾個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作串聯(lián)起來(lái)，或者能夠?qū)讉€(gè)物體的動(dòng)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(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了非常多的機(jī)會(huì)。Konidaris、Sorin和他們的學(xué)生十分看好該技術(shù)，并且為這項(xiàng)技術(shù)專門成立了一家公司Realtime Robotics。
Konidaris表示，“實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃將給機(jī)器人學(xué)帶來(lái)革命。”
這項(xiàng)研究的資金來(lái)源于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）以及美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health）。
來(lái)源：杜克大學(xué)
