跳跃机器人的Somersaulting模拟

近年来，工程师们一直在开发新技术，使机器人和人类能够更快地移动并跳得更高。柔软，有弹性的材料可以在这些装置中储存能量，如果小心释放，可以实现优雅的动态运动。机器人跳过障碍物和假肢能够冲刺。开发这些技术仍然存在根本性挑战。科学家们花费很长时间来构建和测试能够以特定方式可靠移动的原型，以便例如机器人在着陆时能够正确地着陆。

由麻省理工学院(MIT)，多伦多大学和Adobe Research的研究人员团队开发的一对新计算方法迈出了实现这些运动背后动态机制设计自动化的第一步。他们的方法生成的仿真与灵活设备的实际行为相匹配，速度比以前快70倍，并提供模拟碰撞和回弹精度的关键性改进。这些方法既快又准确，足以用于自动化用于创建受控跳跃的动态机制的设计过程。

该团队将在7月30日至8月3日在洛杉矶召开的SIGGRAPH 2017年会议上，通过他们的论文“动态感知数据粗化制造设计”展示他们的方法和结果。SIGGRAPH突出了全球计算机图形研究和互动技术中最具创新性的成果。

“这项研究是将计算机图形技术应用于具有动态行为和接触的真实物理对象的开创性工作，”主要作者Desai Chen说，他是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的博士候选人。“我们开发的技术为自动设计高动态，快速移动的物体打开了大门。”

陈的合着者包括多伦多大学助理教授David IW Levin; 麻省理工学院电子工程与计算机科学副教授Wojciech Matusik; 和Adobe Research的高级研究科学家Danny M. Kaufman。

计算设计，物理建模和快速制造方面的重大进步使得能够制造具有定制物理特性的物体 - 例如定制运动鞋，复杂假肢和软机器人 - 而计算机图形学研究已经看到快速改进和效率创造引人注目的动画物理学的游戏，虚拟现实和电影。在这项新工作中，该团队旨在将效率和准确性结合起来，实现设计制造的仿真，并精确模拟运动中的物体。

“我们的目标是让虚拟现实的物理规则更接近实际现实，”莱文说。

在研究中，团队通过模拟弹性物体碰撞来应对挑战 - 使事物足够精确以匹配现实，并且足够快以使设计过程自动化。试图在存在接触，撞击或摩擦的情况下创建这种模拟仍然是耗时且不准确的。

“这一部分是正确的非常重要，而且，直到现在，我们现有的计算机代码往往会在这里发生故障，”考夫曼说。“我们意识到，如果我们为现实世界进行设计，我们必须拥有能够正确模拟高速弹跳，碰撞和摩擦等事物的代码。”

研究人员通过设计和制造翻转，抛掷和跳过障碍物的机制，展示了他们的新方法，动态感知粗化(DAC)和边界平衡碰撞(BBI)。他们的方法比现有的最先进的方法更快地执行模拟，并且与现实世界的运动相比具有更高的准确性。

DAC的工作原理是减少自由度，编码运动的值的数量，加速模拟，同时仍然捕捉动态场景的重要动作。它找到最粗糙的网格，可以正确地表示动态采用的关键形状，并将这些网格的材质属性直接与录制的视频实验相匹配。BBI是一种用于对弹性物体的撞击行为进行建模的方法。它使用材料属性在冲击位置附近平滑地投射速度，以模拟许多真实世界的冲击情况，例如软印刷材料和桌子之间的冲击和回弹。

该团队的灵感来自对更快，更精确的设计工具的需求，这些工具可以捕获经历变形和碰撞的弹性物体的精确模拟 - 尤其是在高速时。这些新方法可以应用于机器人设计，开发机器人，因为它们越来越多地采用类似人类的运动和特征。

“这个项目真的是我们推动模拟现实方法的第一步，”考夫曼说。“我们专注于推动它们进行自动设计并探索如何在设计中有效地使用它们。我们可以在计算机图形和动画中创建漂亮的图像，让我们将这些方法扩展到现实世界中实用的对象，这些对象是有用的，美观的和高效的“。