本文转载自雷锋网。一早，公园里热闹起来。老人们双手摇动空竹，变出各种花样，引来旁人驻足观看。这个场景对于大多数人来说应该很熟悉。早在我国明清时期，空竹这项运动就开始兴起并盛行。2006年5月20日，空竹经国务院批准列入第一批国家级非物质文化遗产名录。空竹作为典型的基础韵律运动，可以运动到身体的多个部位，预防肩周炎等疾病，并能显着提高新陈代谢，有利于身体健康。网上有很多空竹演奏的介绍视频。很多人说空竹是一项技术活动。轻松玩空竹并没有想象中那么容易。那么问题来了：转眼2020年就要结束了。每个人都在谈论技术。发展很快，机器人会不会玩空竹？别告诉我，你会的！脑洞从何而来？这是视频的截图作为证据：两个机械臂正在摇动空竹。甚至，人和机器可以合作并一起展示他们的技能。其实这个脑洞来自于一家位于日本东京的公司OMRONSINICX。OMRONSINICX是欧姆龙株式会社的子公司，欧姆龙株式会社是一家知名的自动化控制和电子设备制造商，总部位于日本京都，成立于2018年。其成立的主要目的是“近期设计”——据其官网介绍。OMRONSINICX致力于在机器人、计算机视觉、机器学习和人机交互领域开展前沿研究。作为欧姆龙集团的战略据点，欧姆龙SINICX在人工智能、机器人、物联网、制造业和金融业等各个领域聘请优秀人才，并与高校和科研机构有着密切的合作，旨在重点解决工厂自动化、医疗、移动出行、能源管理四大领域的社会问题。说到这里，就不得不提一下欧姆龙集团在机器人领域的高光时刻——2016年9月8日，欧姆龙在其官网上宣布，他们研发的机器人Forpheus可以继续与人类打乒乓球，被吉尼斯世界纪录认定为世界上第一台乒乓球教练机器人。那么这次为什么要尝试让机器人弹空竹呢？研究人员表示，他们的目标是推进细粒度机器人控制和人机协作。对于机器人来说，玩空竹可以说是一个挑战递增、激励不断的学习过程。不幸的是，尚未设计出类似的模型。如果用真正的机械臂来训练，成本会非常高，而且这种高加速度的任务（空竹主要靠惯性）操作起来确实很危险。基于以上思路，研究人员制作了空竹模型（diabolomodel），让机器人也能摇动空竹。模型是如何构建的？具体过程如何，我们可以在欧姆龙SINICX在预印本平台arXiv上发表的一篇论文中找到答案。论文题目是Ananalyticaldiabolomodelforrobotslearningandcontrol。首先，研究人员推导出空竹绳系统的分析模型。空竹的核心是绳子。模拟绳索并不容易，因为摩擦力取决于许多难以测量甚至无法测量的参数，而且空竹本身与绳索之间的相互作用也非常灵活和非线性。.因此，该模型简化了空竹原有的复杂运动，用一个椭圆来表示绳子的运动轨迹来计算力和运动。如下图所示，两根棍子的尖端恰好是椭圆的焦点。当然，这只是平面图。在三维空间中，椭圆变成椭圆体。研究人员假设了空竹的几种不同状态，例如：紧绳状态：空竹在椭圆内运动。绳索松弛：空竹的中间部分牢固地固定在绳索上。空竹飞行状态：空竹向椭圆外移动。为了保证模型的准确性，研究人员通过记录人们玩空竹的过程形成了一个数据集，并将这个数据集与模型进行了对比。结果表明，该模型在准确性和物理一致性方面优于基于深度学习的预测器。接下来，研究人员描述了一种基于最优控制的方法，称为基于模型的预测控制(MPC)。该方法以空竹的速度和位置为输入，优化其中一根小棍的运动轨迹，预测两根小棍顶端的运动轨迹，生成机器人摇动空竹的运动轨迹，让机器人能够解锁更多花式玩法。具体到下图：黄线代表预测的空竹轨迹；绿线代表目标状态；白线代表下一个轨迹出现前的预测；红色和蓝色线条代表两个小棒顶部的轨迹；透明的红色区域代表实际的三维上下文中形成的椭球轨迹。最后，研究人员在真实的机器人系统上进行了测试，取得了人机共玩空竹的效果。研究人员表示，他们希望这项研究能够推动机器人技术的发展，激发更多关于机器人如何学习的想法。值得一提的是，欧姆龙SINICX官方表示，计划将仿真模型、数据集和控制算法作为独立模块和Gazebo插件发布，供大家学习。感兴趣的朋友可以继续关注。
