Робособаку с пылесосом на спине научили собирать окурки

Итальянские инженеры создали прототип четвероногого робота-уборщика VERO, который способен собирать разбросанные на земле окурки, используя для этого установленный на спине пылесос. Робособака самостоятельно распознает попавший в поле зрения окурок, подходит к нему и подводит закрепленную на ноге насадку всасывающей трубы пылесоса. В отличие от колесных роботов-уборщиков, VERO может эффективно работать на неровной местности, сообщается в статье, опубликованной в Journal of Field Robotics.

Среди различного вида мелкого мусора, производимого человечеством, немалую опасность для окружающей среды представляют сигаретные окурки, более четырех триллионов которых ежегодно бросают на землю. При этом окурки содержат в себе множество токсичных веществ, включая канцерогены, и практически не разлагаются, оставаясь в окружающей среде на долгие годы. Несмотря на потенциальную опасность, на сегодняшний день сбор и утилизации этого вида мусора в основном происходит вручную, что дорого и неэффективно.

Автоматизация процесса сбора окурков — непростая задача, так как они зачастую оказываются рассеяны на неровной поверхности в городской среде и за ее пределами, например, на лестницах, или в песке и камнях на побережьях. Большинство же существующих роботов-уборщиков используют колесный привод, что существенно ограничивает их возможности передвижения по такой местности.

Инженеры под руководством Клаудио Семини (Claudio Semini) из Итальянского института технологий в Генуе нашли возможное решение этой проблемы, использовав в качестве платформы для робоуборщика четвероногого робота — ходячие роботы гораздо лучше передвигаются по сложному неструктурированному ландшафту. Созданный ими робот, получивший название VERO (Vacuum-cleaner Equipped RObot), построен на базе робособаки AlienGo компании Unitree. На его спине инженеры установили пылесос, а всасывающую трубу с насадкой на конце прикрепили к ноге. Форма и размер выполненной с помощью 3D-печати насадки были подобраны оптимальным образом для всасывания мелкого мусора, не влияя при этом на устойчивость робособаки при ходьбе. Такая конструкция позволяет VERO собирать разбросанный вокруг мусор, просто подводя к нему ногу и запуская пылесос. При этом всасывающие трубки могут быть установлены на всех четырех ногах, что позволяет повысить скорость и эффективность работы робособаки-уборщика.

Робот может как действовать самостоятельно, так и работать под прямым управлением человека через пульт. Система управления объединяет в себе алгоритмы компьютерного зрения, планирования пути и управления движением. Процесс сбора мусора начинается с обнаружения окурков поблизости на изображениях с камер робота. Для этого используется сверточная нейронная сеть YOLOv4-tiny, которая специально обучена на наборе данных, содержащем изображения окурков в различных условиях. Сеть выделяет каждый окурок на изображении рамкой и оценивает вероятность того, что внутри выделенной области действительно находится именно он. После того как объекты обнаружены, алгоритм отфильтровывает повторно встречающиеся из-за движения робота обнаружения одного и того же объекта и строит карту их расположения вокруг.

На следующем этапе вступает в дело модуль сбора мусора. С помощью алгоритма поиска Дейкстры он рассчитывает оптимальный маршрут для сбора всех обнаруженных сигаретных остатков, учитывая их расположение и текущее положение робота. Когда VERO приближается к выбранному объекту, активируется система визуального сервопривода, которая использует данные с камеры, направленной вниз. Эта система корректирует положение ноги робота с насадкой пылесоса, обеспечивая ее точное позиционирование над мусором. Затем робот включает пылесос и засасывает объект. При этом алгоритм учитывает ограничения, связанные с поддержанием устойчивости робособаки на трех ногах во время выполнения всех этих движений.

Для оценки эффективности разработанной системы инженеры провели серию экспериментов в лабораторных условиях и на открытом воздухе. VERO был успешно протестирован в нескольких сценариях, включая пляж, городскую улицу, промышленную площадку и природную тропу. В каждом сценарии робот должен был самостоятельно найти и собрать разбросанные окурки. В ходе испытаний VERO успешно справился с задачей во всех шести сценариях, подтвердив свою эффективность и адаптивность к различным типам поверхностей. Наиболее сложным оказался сценарий с природной тропой, где из-за сходства окурков с мелкими опавшими листьями возникали трудности с их обнаружением. Для повышения точности инженерам пришлось провести дополнительное обучение нейросети, ответственной за распознавание.

Тесты в лаборатории проводили на полосе с препятствием, где робот должен был собрать разбросанные на полу окурки в нескольких испытаниях. В результате VERO удалось убрать 29 из 37 окурков, что дает общую эффективность системы в лабораторных условиях на уровне 78 процентов. При этом из восьми окурков, которые роботу не удалось собрать, два просто не попали в поле зрения камер и еще два — не были корректно распознаны. Поэтому в итоге разработчики оценили эффективность системы сбора мусора приблизительно в 88 процентов (29 из 33 окурков).

Разработчики полагают, что использование ног четвероногого робота для установки инструментов может в будущем пригодиться не только для уборки мусора, но и в других областях. Например, можно попробовать задействовать робособак в сельскохозяйственных работах для выборочного распыления удобрений, взятия проб грунта, или для точечной высадки семян в землю.

Стартап Migo Robotics недавно представил модель робота-пылесоса, для которого высокие пороги на полу и лестницы между этажами перестали быть проблемой. Ascender, такое название получил робопылесос, способен самостоятельно преодолевать подобные препятствия, используя два раздвижных блока, которые позволяют роботу «перешагивать» со ступеньки на ступеньку.