像人類(lèi)一樣繪畫(huà)，GT團隊開(kāi)發(fā)涂鴉機器人系統

近日，來(lái)自佐治亞理工學(xué)院的研究團隊構建了第一個(gè)能夠模仿人類(lèi)運動(dòng)流動(dòng)性的涂鴉機器人系統。該機器人被命名為 GTGraffiti，它使用動(dòng)作捕捉技術(shù)來(lái)記錄人類(lèi)的繪畫(huà)動(dòng)作，然后通過(guò)組合和處理這些手勢，對一個(gè)用于噴涂涂鴉藝術(shù)品的電纜驅動(dòng)機器人進(jìn)行編程，進(jìn)而完成模仿人類(lèi)藝術(shù)家的繪畫(huà)涂鴉。

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

機器人如何學(xué)會(huì )涂鴉？

對于能夠以人類(lèi)風(fēng)格繪畫(huà)的機器人，機器人和藝術(shù)在設計都必須被考慮到。GTGraffiti 機器人系統由三部分組成：繪畫(huà)捕捉、機器人硬件以及規劃控制。

首先，研究團隊使用動(dòng)作捕捉技術(shù)來(lái)記錄人類(lèi)藝術(shù)家的繪畫(huà)，這樣可以深入了解制作涂鴉藝術(shù)品所需的動(dòng)作類(lèi)型。在這項研究中，Chen 和團隊邀請了兩位藝術(shù)家以泡泡字母涂鴉風(fēng)格繪制字母符號。當人類(lèi)藝術(shù)家在繪畫(huà)時(shí)，他們記錄了藝術(shù)家的手在畫(huà)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器人能夠使用與人類(lèi)藝術(shù)家相似的分層、構圖和運動(dòng)進(jìn)行繪畫(huà)至關(guān)重要。之后，該團隊處理數據以分析每個(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——設計機器人。

考慮到這些數據，以及藝術(shù)品創(chuàng )作所需的便攜性和準確性，研究人員選擇使用電纜驅動(dòng)的機器人。在電纜和滑輪系統上以電纜驅動(dòng)的機器人能夠在大幅度范圍內靈活運動(dòng)。然后，研究團隊將機器人安裝在一個(gè) 9 x 10 英尺高的鋼架上，據研究人員表示，該機器人系統也可以直接安裝在幾乎任何大小的平面結構上，例如建筑物的側面。

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

為了解決機器系統電機等纏繞的問(wèn)題，機器人中央控制器被編程為每秒重新計算 1,000 次電機命令，以便機器人能夠安全可靠地運行。組裝完成后，機器人可以按照人類(lèi)涂鴉藝術(shù)家的風(fēng)格繪制藝術(shù)品。


在測試環(huán)節中，一位人類(lèi)藝術(shù)家選擇字母“ATL”，并使用它們來(lái)創(chuàng )作一件涂鴉藝術(shù)品。

為什么是藝術(shù)？為什么是涂鴉？

一些最典型的機器人應用行業(yè)包括制造業(yè)、生物醫學(xué)、汽車(chē)、農業(yè)和軍事。但事實(shí)證明，藝術(shù)可以以一種特別強大的方式展示機器人技術(shù)。

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

在個(gè)人層面上，Chen 的想法是希望人們將機器人視為對人類(lèi)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導致恐懼、悲傷或厄運感的實(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(lái)傳達這個(gè)想法——機器人與人類(lèi)一起工作可以為社會(huì )做出積極的貢獻?！?br />

目前，Chen 和團隊對機器人的計劃圍繞兩個(gè)主要方面展開(kāi)：保存和放大藝術(shù)。為此，他們目前正在試驗以不同比例再現預先記錄的形狀，并測試機器人繪制更大表面的能力。

這些能力將使機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(wú)法從事現場(chǎng)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 機器人可以在另一個(gè)地方執行該藝術(shù)創(chuàng )作。

未來(lái)，Chen 希望利用 GTGraffiti 捕捉藝術(shù)家在野外涂鴉的過(guò)程。使用捕獲的運動(dòng)數據，GTGraffiti 將能夠復制該藝術(shù)品，從而不用擔心起被涂過(guò)或被破壞。

“機器人本身并不是創(chuàng )造藝術(shù)，而是與人類(lèi)藝術(shù)家合作，使他們能夠實(shí)現比沒(méi)有機器人時(shí)更多的成就?！盋hen 說(shuō)。

Chen 設想機器人系統最終將具有允許藝術(shù)家與機器人進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的能力。例如，他希望開(kāi)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噴涂涂鴉，而電纜驅動(dòng)的機器人則可以在建筑物的側面以巨大的筆觸同步繪畫(huà)。

“我們希望我們的研究可以幫助藝術(shù)家創(chuàng )作出由超人機器人執行的藝術(shù)作品，其傳達信息的能力比他們自己親身繪制的任何作品都更強大?！盋hen 說(shuō)。

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