近日，來自佐治亞理工學(xué)院的研究團隊構(gòu)建了第一個能夠模仿人類運動流動性的涂鴉機器人系統(tǒng)。該機器人被命名為 GTGraffiti，它使用動作捕捉技術(shù)來記錄人類的繪畫動作，然后通過組合和處理這些手勢，對一個用于噴涂涂鴉藝術(shù)品的電纜驅(qū)動機器人進行編程，進而完成模仿人類藝術(shù)家的繪畫涂鴉。

該項目由佐治亞理工學(xué)院機器人學(xué)博士 Gerry Chen 設(shè)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(shè)計學(xué)院助理教授 Sang-won Leigh 等人合作完成。對機器人系統(tǒng)的同行評審研究將于 2022 年 6 月發(fā)表在國際機器人與自動化會議論文集中。

機器人如何學(xué)會涂鴉？

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

首先，研究團隊使用動作捕捉技術(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)品所需的動作類型。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。當人類藝術(shù)家在繪畫時，他們記錄了藝術(shù)家的手在畫布上的動作，以及噴漆罐本身的動作。
捕捉手和噴漆罐的軌跡對于機器人能夠使用與人類藝術(shù)家相似的分層、構(gòu)圖和運動進行繪畫至關(guān)重要。之后，該團隊處理數(shù)據(jù)以分析每個動作的速度、加速度和力度大小，并將這些信息用于下一階段——設(shè)計機器人。

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確性，研究人員選擇使用電纜驅(qū)動的機器人。在電纜和滑輪系統(tǒng)上以電纜驅(qū)動的機器人能夠在大幅度范圍內(nèi)靈活運動。然后，研究團隊將機器人安裝在一個 9 x 10 英尺高的鋼架上，據(jù)研究人員表示，該機器人系統(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、方向和視角進行繪畫。最后，這些路徑被轉(zhuǎn)換成要執(zhí)行的運動指令。

為了解決機器系統(tǒng)電機等纏繞的問題，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)，尤其是繪畫或舞蹈，體現(xiàn)了人類可以做出的一些最復(fù)雜、最細微的動作。因此，如果我們想創(chuàng)造出能夠做人類所做的高技術(shù)性事情的機器人，那么創(chuàng)造出會跳舞或繪畫的機器人是一個很好的目標。這些是展示機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。

在個人層面上，Chen 的想法是希望人們將機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\感的實體。

“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這個想法——機器人與人類一起工作可以為社會做出積極的貢獻?！?br />

目前，Chen 和團隊對機器人的計劃圍繞兩個主要方面展開：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(xiàn)預(yù)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地方繪制藝術(shù)品，而 GTGraffiti 機器人可以在另一個地方執(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。使用捕獲的運動數(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)比沒有機器人時更多的成就?！盋hen 說。

Chen 設(shè)想機器人系統(tǒng)最終將具有允許藝術(shù)家與機器人進行實時交互的能力。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)動的機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)作出由超人機器人執(zhí)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。

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