Stanford × Galaxea: Open-Source-Haushaltsrobotik
1. Welche Art von Robotern wird für Wohnumgebungen benötigt?
Roboter in den Alltag zu Hause praktisch zu integrieren, bleibt eine anspruchsvolle Aufgabe. Im Labor können mobile Manipulationsroboter möglicherweise Objekte präzise greifen oder einfache Befehle ausführen. Reale Wohnumgebungen stellen jedoch komplexere Anforderungen. Aufgaben wie das Öffnen einer Tür beim Tragen einer schweren Last, das Einräumen von Regalen in verschiedenen Höhen oder das Reinigen einer Toilette erfordern eine fortgeschrittenere Koordination und Steuerung.
Kürzlich hat Fei-Fei Lis Team an der Stanford University wichtige Fortschritte bei der mobilen Ganzkörpermanipulation erzielt.
Basierend auf einer Analyse bestehender Benchmarks für Roboteraktionen identifizierte das Stanford-Team drei Kernfähigkeiten, die Roboter benötigen, um Haushaltsaufgaben erfolgreich auszuführen:
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Koordinierte bimanuelle Manipulation Beim Tragen sperriger Gegenstände oder beim Umgang mit Wäsche muss ein Doppelarmroboter beide Arme koordinieren, um Objekte sicher zu greifen, zu bewegen und abzulegen.
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Stabile und präzise Navigation Roboter müssen weite Strecken ohne Kollisionen zurücklegen und Zielorte genau erreichen, um eine effiziente und sichere Fortbewegung im gesamten Haus zu gewährleisten.
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Erweiterte Reichweite des Endeffektors Haushaltsgegenstände sind über verschiedene Räume und Höhen verteilt. Roboter müssen ihre Körperhaltung flexibel anpassen, um Objekte an unterschiedlichen Positionen zu erreichen und eine Vielzahl von Manipulationsaufgaben auszuführen.
Komplexe Hardwarekonfigurationen – einschließlich Doppelarmen, mobilen Basen und mehr Freiheitsgraden Torso – bieten zwar die physischen Fähigkeiten, die für diese Aufgaben erforderlich sind, machen das Erlernen von Strategien jedoch erheblich anspruchsvoller. Die effiziente Datenerfassung für Roboter und das effektive Training von Modellen, die Ganzkörperbewegungen koordinieren, sind zu großen Engpässen bei der Anwendung dieser Roboter in realen Umgebungen geworden.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte Fei-Fei Lis Team an der Stanford University die BEHAVIOR Robot Suite (BRS) unter Verwendung der Roboterplattform von Galaxea Dynamics.
Die Suite basiert auf Galaxeas vollgroßem, bimanuellem humanoider Roboter R1 und kombiniert JoyLo, ein kostengünstiges, ganzkörperiges Teleoperationssystem zur isomorphen Datenerfassung mit WB-VIMA, einer ganzkörperigen visuellen Bewegungsaufmerksamkeitsstrategie. Durch die Integration von Hardware- und algorithmischen Innovationen bietet BRS einen neuen Ansatz für die mobile Ganzkörpermanipulation und hilft Robotern, die komplexen Koordinationsanforderungen realer Haushaltsumgebungen zu bewältigen.
2. BRBEHAVIOR Robot Suite
BRS-Durchbruch Nr. 1: JoyLo, ein kostengünstiges Teleoperationssystem zur Erfassung von Roboterdaten
Die Datenerfassung ist grundlegend für das Lernen von Robotern. Herkömmliche Ansätze stützen sich jedoch häufig auf teure Ausrüstung oder sind mit komplexen Bedienvorgängen verbunden, was die effektive Koordination von Ganzkörperbewegungen erschwert.
Um eine nahtlose Steuerung mobiler Manipulatoren mit vielen Freiheitsgraden zu ermöglichen und die Datenerfassung für das nachgelagerte Policy-Learning zu optimieren, entwickelte das Stanford-Team JoyLo (Joy-Con on Low-Cost Kinematic-Twin Arms), ein kostengünstiges Ganzkörper-Teleoperationssystem. Mithilfe von JoyLo demonstrierte das Team die Ganzkörpersteuerung des R1-Roboters von Galaxea Dynamics und bot einen zugänglicheren Ansatz zur Erfassung von Roboterdemonstrationsdaten für das Erlernen komplexer Manipulationsaufgaben.
Übersicht des BRS-Hardwaresystems. Links: Galaxea R1, ein rollender, zweihändiger Manipulationsroboter mit flexiblem Torso, der im BRS eingesetzt wird. Rechts: JoyLo, eine kostengünstige Ganzkörper- Teleoperations-Schnittstelle, die für Vielseitigkeit und allgemeine Zwecke entwickelt wurde.
JoyLo kombiniert Joy-Con-Controller der Nintendo Switch mit 3D-gedruckten bimanualen Gelenkverbindungen, um eine kostengünstige Ganzkörpersteuerung des humanoiden R1-Roboters von Galaxea Dynamics zu ermöglichen. Das System unterstützt die Steuerung der 3-DoF-mobilen Basis, des 4-DoF-Torsos, der 14-DoF-Doppelarme und der Endeffektoren des R1 und macht komplexe Roboterbewegungen intuitiver und zugänglicher.
Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:
● Effiziente Ganzkörpersteuerung
Mithilfe kompakter Handcontroller und bimanualer Gelenkverbindungen können Bediener die mobile Basis, den Torso und beide Arme des R1 steuern. Die intuitive Schnittstelle ermöglicht es, komplexe Roboterposen und -bewegungen fast so einfach zu koordinieren, wie man ein Konsolenspiel spielt.
● Intuitives Interaktionsfeedback
Umfangreiches haptisches Feedback, wie Controller-Vibrationen, kann Echtzeit-Hinweise über den Betriebszustand des Roboters liefern, einschließlich erfolgreicher Griffe und Kollisionswarnungen, was eine reaktionsschnellere Mensch-Roboter-Interaktion ermöglicht.
● Hochwertige Daten von echten Robotern
Im Vergleich zu Teleoperationsansätzen auf VR-Basis, einschließlich solcher unter Verwendung des Apple Vision Pro, erreicht JoyLo eine 5-mal höhere Erfolgsquote bei Aufgaben und eine um 23 % kürzere durchschnittliche Aufgabenfertigstellungszeit. Es schneidet besonders gut bei komplexen Aufgaben mit langem Zeithorizont ab. Die erfassten Trajektorien können direkt für das Policy-Learning verwendet werden, ohne umfangreiche Datenaufbereitung.
● Kostengünstiges, modulares Design
Das System besteht aus 3D-gedruckten bimanualen Gelenkverbindungen, erschwinglichen Dynamixel-Motoren und Joy-Con-Controllern, mit Gesamtkosten von weniger als 500 $. Sein modulares Design erleichtert außerdem den Austausch einzelner Komponenten.
● Benutzerfreundlicher Echtzeit-Controller
BRS umfasst einen intuitiven, Python-basierten Echtzeit-Controller, der Zielgelenkpositionen und -geschwindigkeiten in Steuerbefehle umwandelt und diese über ROS an den Roboter sendet, was die Implementierung der Ganzkörper-Teleoperation vereinfacht.
JoyLo für Ganzkörper-Teleoperation und Datenerfassung
Müll rausbringen: Der Roboter nimmt einen Müllbeutel im Wohnzimmer auf → navigiert zur Tür → öffnet die Tür → fährt zur Mülltonne draußen.
Regale ordnen: Der Roboter nimmt einen Karton vom Boden im Lagerraum auf → navigiert zu einem vierstöckigen Regalsystem → stellt den Karton je nach verfügbarem Platz auf das passende Regal.
Wäsche ordnen: Der Roboter nimmt mit beiden Armen eine Jacke von einem Kleiderbügel und legt sie flach auf ein Schlafsofa.
Toilette reinigen: Der Roboter neigt seinen Torso, um den Deckel anzuheben, die Oberfläche abzuwischen und die Spültaste in einer nahtlosen Abfolge zu drücken.
Aufräumen nach der Party: Der Roboter führt eine Abfolge von Schritten aus: Öffnen der Spülmaschine → Abnehmen des Geschirrs vom Tisch → Einräumen in die Spülmaschine → Schließen der Spülmaschinentür.
3. Galaxea: Empowerment und Erkundung
Die gesamte vom Stanford-Team entwickelte BRS-Robotik-Suite basiert auf dem R1-Roboter von Galaxea Dynamics. Die Forschungsarbeit, der Code, die Hardware-Designs und die Datensätze sind nun vollständig Open Source und laden Entwickler weltweit dazu ein, das Projekt zu erkunden und mehr auf der offiziellen BRS-Website zu erfahren.
Galaxea setzt sich außerdem dafür ein, Entwicklern End-to-End-Support anzubieten, der jede Phase des Robotik-Entwicklungsablaufs abdeckt.
● Datenerfassung
Galaxeas proprietäres R1 Teleop, eine isomorphe Teleoperation-Plattform, ermöglicht eine effiziente Robotik-Datenerfassung mit einer Leistung, die mit der JoyLo-Hardware vergleichbar ist. Die gesamte humanoide Galaxea-R1-Robotik-Produktreihe unterstützt die Integration mit der isomorphen Teleoperation-Plattform und hilft Entwicklern, kostengünstig hochwertige Demonstrationsdaten zu sammeln.
● Validierung von Roboter-Algorithmen
Das Open-Source-Framework WB-VIMA kann in Galaxeas Robotik-Plattformen und Entwicklungsumgebung integriert werden, sodass Entwickler Algorithmen effizienter validieren und Entwicklungszyklen erheblich verkürzen können.
● Erweiterung der Anwendungen
Von Haushaltsaufgaben und kommerziellen Anwendungen bis hin zu industriellen Umgebungen ermöglicht Galaxeas humanoide Allzweck-Robotik-Produktreihe mit hohem Freiheitsgraden den Entwicklern, eine zunehmend vielfältige Bandbreite komplexer mobiler Manipulationsaufgaben zu erkunden.
Ob Sie in einem Universitäts-Forschungslabor oder einem industriellen F&E-Team arbeiten, Galaxea bleibt seinem Ziel treu, Hardware-Lösungen, Datenunterstützung und eine umfassende Entwicklungswerkzeugkette bereitzustellen, um Entwicklern weltweit dabei zu helfen, die Herausforderungen der Ganzkörper-Robotik-Steuerung zu überwinden – und verkörperte KI in den Alltag zu integrieren.
Projekt-Website: https://behavior-robot-suite.github.io
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