像人類一樣繪畫，GT團(tuán)隊(duì)開發(fā)涂鴉機(jī)器人系統(tǒng)

近日，來自佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了第一個(gè)能夠模仿人類運(yùn)動(dòng)流動(dòng)性的涂鴉機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人被命名為 GTGraffiti，它使用動(dòng)作捕捉技術(shù)來記錄人類的繪畫動(dòng)作，然后通過組合和處理這些手勢，對一個(gè)用于噴涂涂鴉藝術(shù)品的電纜驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行編程，進(jìn)而完成模仿人類藝術(shù)家的繪畫涂鴉。

該項(xiàng)目由佐治亞理工學(xué)院機(jī)器人學(xué)博士 Gerry Chen 設(shè)計(jì)，由研究生 Juan-Diego Florez、交互計(jì)算學(xué)院機(jī)器人學(xué)教授 Frank Dellaert、KUKA 機(jī)器人主席 Seth Hutchinson 教授、 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院助理教授 Sang-won Leigh 等人合作完成。對機(jī)器人系統(tǒng)的同行評審研究將于 2022 年 6 月發(fā)表在國際機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議論文集中。

機(jī)器人如何學(xué)會(huì)涂鴉？

對于能夠以人類風(fēng)格繪畫的機(jī)器人，機(jī)器人和藝術(shù)在設(shè)計(jì)都必須被考慮到。GTGraffiti 機(jī)器人系統(tǒng)由三部分組成：繪畫捕捉、機(jī)器人硬件以及規(guī)劃控制。

首先，研究團(tuán)隊(duì)使用動(dòng)作捕捉技術(shù)來記錄人類藝術(shù)家的繪畫，這樣可以深入了解制作涂鴉藝術(shù)品所需的動(dòng)作類型。在這項(xiàng)研究中，Chen 和團(tuán)隊(duì)邀請了兩位藝術(shù)家以泡泡字母涂鴉風(fēng)格繪制字母符號。當(dāng)人類藝術(shù)家在繪畫時(shí)，他們記錄了藝術(shù)家的手在畫布上的動(dòng)作，以及噴漆罐本身的動(dòng)作。
捕捉手和噴漆罐的軌跡對于機(jī)器人能夠使用與人類藝術(shù)家相似的分層、構(gòu)圖和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行繪畫至關(guān)重要。之后，該團(tuán)隊(duì)處理數(shù)據(jù)以分析每個(gè)動(dòng)作的速度、加速度和力度大小，并將這些信息用于下一階段——設(shè)計(jì)機(jī)器人。

考慮到這些數(shù)據(jù)，以及藝術(shù)品創(chuàng)作所需的便攜性和準(zhǔn)確性，研究人員選擇使用電纜驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人。在電纜和滑輪系統(tǒng)上以電纜驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人能夠在大幅度范圍內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng)。然后，研究團(tuán)隊(duì)將機(jī)器人安裝在一個(gè) 9 x 10 英尺高的鋼架上，據(jù)研究人員表示，該機(jī)器人系統(tǒng)也可以直接安裝在幾乎任何大小的平面結(jié)構(gòu)上，例如建筑物的側(cè)面。

第三步，研究人員將藝術(shù)家的構(gòu)圖轉(zhuǎn)換成電信號，以生成可供機(jī)器人繪畫的文字。然后，研究人員使用數(shù)學(xué)方程式生成機(jī)器人跟隨的軌跡。這些算法生成的路徑確保機(jī)器人以正確的速度、位置、方向和視角進(jìn)行繪畫。最后，這些路徑被轉(zhuǎn)換成要執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)指令。

為了解決機(jī)器系統(tǒng)電機(jī)等纏繞的問題，機(jī)器人中央控制器被編程為每秒重新計(jì)算 1,000 次電機(jī)命令，以便機(jī)器人能夠安全可靠地運(yùn)行。組裝完成后，機(jī)器人可以按照人類涂鴉藝術(shù)家的風(fēng)格繪制藝術(shù)品。


在測試環(huán)節(jié)中，一位人類藝術(shù)家選擇字母“ATL”，并使用它們來創(chuàng)作一件涂鴉藝術(shù)品。

為什么是藝術(shù)？為什么是涂鴉？

一些最典型的機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)包括制造業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、汽車、農(nóng)業(yè)和軍事。但事實(shí)證明，藝術(shù)可以以一種特別強(qiáng)大的方式展示機(jī)器人技術(shù)。

“藝術(shù)，尤其是繪畫或舞蹈，體現(xiàn)了人類可以做出的一些最復(fù)雜、最細(xì)微的動(dòng)作。因此，如果我們想創(chuàng)造出能夠做人類所做的高技術(shù)性事情的機(jī)器人，那么創(chuàng)造出會(huì)跳舞或繪畫的機(jī)器人是一個(gè)很好的目標(biāo)。這些是展示機(jī)器人非凡能力的技能類型，也可以應(yīng)用于各種其他應(yīng)用?！盋hen 說。

在個(gè)人層面上，Chen 的想法是希望人們將機(jī)器人視為對人類有幫助的人，而不是像電影中經(jīng)常描繪的那樣將它們視為工作取代者或?qū)е驴謶帧⒈瘋蚨蜻\(yùn)感的實(shí)體。

“涂鴉是一種藝術(shù)形式，本質(zhì)上是為了讓大眾看到。在這方面，我希望我們可以用涂鴉來傳達(dá)這個(gè)想法——機(jī)器人與人類一起工作可以為社會(huì)做出積極的貢獻(xiàn)?！?br />

目前，Chen 和團(tuán)隊(duì)對機(jī)器人的計(jì)劃圍繞兩個(gè)主要方面展開：保存和放大藝術(shù)。為此，他們目前正在試驗(yàn)以不同比例再現(xiàn)預(yù)先記錄的形狀，并測試機(jī)器人繪制更大表面的能力。

這些能力將使機(jī)器人能夠在不同的地理位置繪制原始作品的放大版本，并為無法從事現(xiàn)場噴繪的藝術(shù)家提供幫助。理論上，藝術(shù)家可以在世界的某個(gè)地方繪制藝術(shù)品，而 GTGraffiti 機(jī)器人可以在另一個(gè)地方執(zhí)行該藝術(shù)創(chuàng)作。

未來，Chen 希望利用 GTGraffiti 捕捉藝術(shù)家在野外涂鴉的過程。使用捕獲的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，GTGraffiti 將能夠復(fù)制該藝術(shù)品，從而不用擔(dān)心起被涂過或被破壞。

“機(jī)器人本身并不是創(chuàng)造藝術(shù)，而是與人類藝術(shù)家合作，使他們能夠?qū)崿F(xiàn)比沒有機(jī)器人時(shí)更多的成就。”Chen 說。

Chen 設(shè)想機(jī)器人系統(tǒng)最終將具有允許藝術(shù)家與機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的能力。例如，他希望開發(fā)一種技術(shù)，使站在建筑物腳下的藝術(shù)家能夠在狹小的空間內(nèi)噴涂涂鴉，而電纜驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人則可以在建筑物的側(cè)面以巨大的筆觸同步繪畫。

“我們希望我們的研究可以幫助藝術(shù)家創(chuàng)作出由超人機(jī)器人執(zhí)行的藝術(shù)作品，其傳達(dá)信息的能力比他們自己親身繪制的任何作品都更強(qiáng)大。”Chen 說。

參考資料：
https://research.gatech.edu/introducing-gtgraffiti-robot-paints-human
https://dx.doi.org/10.48550/arXiv.2109.06238