迪士尼的机器人角色使用新的编程管道将情感运动带入现实世界
周三，在底特律举行的 2023 年 IEEE/RSJ 国际智能机器人和系统会议 (IROS)上，迪士尼研究团队在晚间主题演讲中展示了一个全新的机器人角色。这个可爱的机器人在其儿童大小的身体中融入了大量的表情，从其高度表现力的头部和两个摆动的触角到其粗短的小腿。但这款机器人与其他小型两足动物的不同之处在于它的行走方式——它充满个性，在移动时充满情感，使其看起来独特而有活力。
迪士尼是编程机器人以情感方式移动的专家，早在 1971 年，迪士尼世界就拥有了电子动画总统厅。然而，随着机器人变得越来越先进、移动性越来越强，机器人设计师和机器人动画师在现实世界的限制下开发既利用机器人硬件又与机器人硬件兼容的情感行为变得具有挑战性。迪士尼研究中心去年开发了一种新系统，利用强化学习将动画师的愿景转化为富有表现力的动作，这种动作足够强大，几乎可以在任何地方工作，无论是 IROS 的舞台、迪士尼主题公园还是瑞士的森林。
这个特殊的机器人是由苏黎世迪士尼研究中心的Moritz B?cher 领导的团队开发的。它主要是 3D 打印的，使用模块化硬件和执行器，可以快速设计和迭代，从概念到您在上面视频中看到的内容，只用了不到一年的时间。它有一个四自由度的头部（能够向上、向下、周围和倾斜），以及带有髋关节的五自由度的腿，使其能够在动态平衡的同时行走。
“大多数机器人专家都专注于让他们的双足机器人可靠地行走，”迪士尼研究科学家摩根波普说，他帮助在舞台上展示了??该机器人。“在迪士尼，这可能还不够——我们的机器人可能必须昂首阔步、腾跃、潜行、小跑或蜿蜒来传达我们需要它们的情感。” 迪士尼拥有擅长让角色通过动作传达所有这些情感（以及更多）的动画师，以及擅长构建机械系统的机器人专家。“我们试图为这类机器人带来的东西源于我们的角色动画历史，”迈克尔·霍普金斯解释道迪士尼首席研发工程师。“我们的团队中有一名动画师，我们能够共同利用他们的知识和我们的技术专长，创造出我们能做到的最佳表现。”
Morgan Pope [左] 和 Moritz B?cher 在 IROS 2023 上展示新机器人
要创造一个有效的机器人角色，需要动画师和机器人专家结合他们的才能，这个过程可能非常耗时，并且需要大量的尝试和错误，以确保机器人能够传达动画师的艺术意图而不会摔倒。“一般来说，动画工具没有内置物理原理，”B?cher 解释道。“因此，这使得艺术家很难设计出适用于现实世界的动画。”
“这不仅仅是步行，”波普补充道。“步行是强化学习系统的输入之一，但另一个重要的输入是它如何行走。”
迪士尼的 Morgan Pope 帮助在 IROS 上展示了新的机器人角色
为了弥补这一差距，迪士尼研究中心开发了一种基于强化学习的管道，它依靠模拟来结合和平衡动画师的视觉与强大的机器人动作。对于动画师来说，管道本质上负责实现物理世界的约束，让动画师开发出高度表现力的动作，同时依靠系统使这些动作变得真实，或者让机器人在物理上尽可能接近。迪士尼的管道可以在一台 PC 上训练机器人的新行为，只需几个小时即可运行相当于多年的训练。B?cher 表示，这将迪士尼开发新机器人角色所需的时间从几年缩短到了几个月。
在这种情况下，强化学习的一大优势是所产生的运动可以非常鲁棒。迪士尼的系统能够一遍又一遍地训练动作，同时对运动性能、质量分布以及机器人与地面之间的摩擦力等进行细微的改变。该系统确保机器人在现实世界中遇到任何事情时，它不仅知道如何处理自己，而且知道如何在保持情绪的同时处理自己，这对于机器人保持其性格至关重要。“这对传统技术来说是一个挑战，”鲁本·格兰迪亚 (Ruben Grandia)说，迪士尼研究中心的副研究科学家。“通常情况下，你必须手动编程这个转变点。但是，如果你将所有内容放在一个模拟中，并在它尝试移动和制作动画时扰乱它，它可以自行确定该点，这导致了我们从这个机器人中看到的恢复策略，我们不知道如何编程”。
社交机器人已经存在了几十年，即使是没有明确设计用于社交互动的机器人，如果它们可能花时间与人相处，通常也具有一些人机交互功能。但对于主要考虑功能性设计的机器人来说，人机交互有时可能是事后才想到的。迪士尼通过其机器人展示了机器人在不牺牲功能的情况下通过角色进行交流的能力，这在更广泛的机器人技术中很有用。
“在人类和机器人彼此靠近的情况下，传达情感和意图可能是一个重要的功能，”迪士尼高级研发想象师Georg Wiedebach解释道。“所以我认为这在机器人与人类一起工作的其他应用中也很有价值。”
虽然人们很容易把注意力集中在这个特定的机器人上（看看它多可爱!），但研究人员强调，这里重要的不是机器人，而是过程。“我们的想法是，这是一个与硬件无关的平台，”B?cher 说。“因此，如果我们想添加更多的腿，或添加手臂，或制作一个具有完全不同形态的全新角色，我们可以快速教它新的行为。现成的执行器、3D 打印组件、我们适应性强的强化学习框架——这些都可以应用于外观和移动方式差异很大的机器人。这个机器人是这一旅程中充满希望的第一步。”
迪士尼旅程的下一步包括使用这种技术来开发更多的物理机器人角色，并通过更快、更动态的动作来突破可能的极限。迪士尼研究科学家埃斯彭·诺普 (Espen Knoop)表示:“我们想看看当达到这些极限时会发生什么，并了解在这些极限下我们可以做什么。”
创造新机器人的迪士尼研究团队是（左起）Moritz B?cher、Georg Wiedebach、Michael Hopkins、Ruben Grandia 和 Morgan Pope
就这个机器人而言，该角色没有正式名称，迪士尼也没有准备好评论我们可能会在哪里看到它。但根据它的外观和声音，我们有一些猜测。这个小机器人只是一个开始——现在它们的创建变得更加容易，我们希望看到更多来自迪士尼的富有表现力的机器人角色。
