Bảo robot dọn bàn. Nó phải quyết định nhặt cái gì trước, đặt vào đâu, có cần dịch vật này để lấy vật kia không. Đây là lớp bài toán khác hẳn với tìm đường, và là chỗ ranh giới giữa robot công cụ và robot tự chủ.
Vì sao chia thành hai tầng
Tầng nhiệm vụ làm việc với hành động ở mức trừu tượng. Nhặt cốc, đặt cốc vào khay, mở cửa. Không quan tâm khớp xoay bao nhiêu độ.
Tầng chuyển động biến mỗi hành động trừu tượng thành quỹ đạo thật. Từ tư thế hiện tại tới tư thế cầm được cốc, không va chạm.
Vì sao không gộp làm một. Không gian tìm kiếm sẽ khổng lồ. Một nhiệm vụ mười bước, mỗi bước có không gian cấu hình sáu chiều liên tục — không thuật toán nào xử lý nổi nếu tìm kiếm đồng thời.
Cách chia chuẩn. Tầng nhiệm vụ tìm chuỗi hành động bằng phương pháp tìm kiếm rời rạc. Với mỗi hành động, gọi tầng chuyển động kiểm xem có thực hiện được không.
Nghe gọn nhưng có một vấn đề nghiêm trọng làm cả lĩnh vực này khó, và đó là nội dung phần sau.
Vấn đề khả thi hình học
Tầng nhiệm vụ không biết hình học. Nó lập kế hoạch dựa trên logic: muốn nhặt cốc thì cốc phải ở trên bàn và tay phải trống. Điều kiện thoả thì hành động hợp lệ.
Nhưng hợp lệ về logic không có nghĩa là làm được. Cốc ở giữa bàn, bị chai nước chắn, cánh tay không với tới góc đó mà không va vào chai. Tầng nhiệm vụ không biết điều này.
Hậu quả. Tầng nhiệm vụ đưa ra một kế hoạch hoàn hảo về logic, tầng chuyển động thất bại ở bước thứ tư, và toàn bộ kế hoạch phải làm lại.
Tệ hơn: thất bại có thể do bước trước đó. Đặt đĩa xuống chỗ này làm chặn đường lấy cốc ở bước sau. Không phải bước bốn sai, mà bước hai sai.
Đây là lý do lập kế hoạch nhiệm vụ và chuyển động phải nói chuyện với nhau, không thể tách rời hoàn toàn. Các phương pháp hiện nay đều xoay quanh việc đưa thông tin hình học ngược lên tầng nhiệm vụ theo cách nào đó ít tốn kém.
Sắp xếp lại — lớp bài toán đặc trưng
Bài toán mẫu của lĩnh vực này và đáng hiểu vì nó xuất hiện khắp nơi.
Phát biểu. Nhiều vật thể trên một mặt phẳng, cần đưa chúng về vị trí đích. Có vật chắn vật khác, cần dịch tạm ra rồi đặt lại.
Vì sao khó. Thứ tự quan trọng. Chọn chỗ đặt tạm quan trọng — đặt sai chỗ lại chắn thứ khác. Số phương án tổ hợp bùng nổ nhanh.
Ví dụ đời thường. Lấy hộp ở đáy chồng hộp. Lấy quyển sách kẹp giữa giá đầy. Ai cũng làm được không nghĩ ngợi, robot thì phải tìm kiếm.
Cách tiếp cận thường dùng. Tìm ngược từ đích. Muốn vật này về chỗ kia thì cần dọn gì trước, rồi đệ quy. Thường hiệu quả hơn tìm xuôi.
Ràng buộc thực tế thêm vào. Chỗ đặt tạm có hạn. Vài vật không được lật. Vài vật nặng phải đặt dưới. Mỗi ràng buộc cắt bớt không gian tìm kiếm nhưng làm bài toán phức tạp hơn về mô hình hoá.
Trạng thái hiện tại. Giải được với số vật vừa phải trong môi trường có kiểm soát. Chưa giải được ở mức một cái bếp thật sau bữa ăn.
Mô hình ngôn ngữ trong vai trò lập kế hoạch
Hướng thay đổi lĩnh vực này nhiều nhất trong thời gian gần đây.
Ý tưởng. Mô hình ngôn ngữ đã đọc rất nhiều mô tả về cách con người làm việc. Hỏi nó các bước để dọn bàn thì nó trả lời hợp lý. Dùng nó thay cho bộ tìm kiếm ở tầng nhiệm vụ.
Ưu điểm thật. Xử lý được lệnh diễn đạt tự nhiên. Có tri thức thường thức — biết cốc nước phải giữ thẳng, biết dao nên cầm ở cán. Không cần mô tả tường minh mọi điều kiện như phương pháp cổ điển.
Nhược điểm nghiêm trọng. Nó sinh ra kế hoạch nghe hợp lý mà không kiểm được tính khả thi. Nó bịa ra vật thể không có. Nó bỏ sót bước hiển nhiên. Và nó không nhất quán — hỏi hai lần ra hai kế hoạch khác nhau.
Cách ghép đang được dùng. Mô hình ngôn ngữ đề xuất, bộ kiểm tra hình học phủ quyết, vòng lặp cho tới khi ra kế hoạch khả thi. Mô hình đóng vai trò sinh phương án chứ không phải quyết định.
Đánh giá thực tế. Đây là bước tiến thật, không phải quảng cáo. Nhưng nó chuyển bài toán chứ chưa giải xong: giờ vấn đề là kiểm chứng và xử lý khi mô hình sai, và đó vẫn là phần chưa đủ tin cậy cho triển khai không giám sát.
Khi kế hoạch gặp thực tế
Phần hay bị bỏ qua trong nghiên cứu và quan trọng nhất trong triển khai.
Kế hoạch luôn hỏng giữa chừng. Nhặt trượt. Vật rơi. Có người dịch mất thứ gì đó. Trạng thái thực khác trạng thái giả định.
Phát hiện thất bại là bài toán riêng. Robot phải biết mình vừa nhặt trượt. Không có cảm biến lực hoặc kiểm tra bằng thị giác thì nó cứ tiếp tục kế hoạch với tay không.
Lập kế hoạch lại tốn thời gian. Tính lại từ đầu sau mỗi thất bại thì robot đứng im nhiều hơn làm việc. Cần cơ chế sửa cục bộ.
Cần giữ trạng thái đúng. Robot phải biết hiện có gì ở đâu. Cập nhật liên tục bằng thị giác tốn kém; chỉ tin vào mô hình nội bộ thì sớm muộn cũng lệch thực tế.
Nguyên tắc thiết kế thực dụng. Kế hoạch ngắn, kiểm tra sau mỗi bước, sẵn sàng lập lại. Kế hoạch dài hai mươi bước tính hoàn hảo từ đầu gần như chắc chắn hỏng ở bước thứ năm.
Và trong sản phẩm thật hiện nay, gần như mọi hệ thống đều thu hẹp bài toán xuống mức con người đã cấu trúc sẵn môi trường — vật ở vị trí biết trước, chỉ vài loại, ít thay đổi. Đó không phải thất bại của nghiên cứu mà là cách duy nhất hiện có để đạt độ tin cậy đủ dùng.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao lập kế hoạch nhiệm vụ tách khỏi lập kế hoạch chuyển động?
Vì tìm kiếm đồng thời cả chuỗi hành động rời rạc lẫn quỹ đạo liên tục nhiều chiều là bất khả thi. Tầng nhiệm vụ tìm chuỗi hành động, tầng chuyển động kiểm từng hành động có làm được không.
Vấn đề khả thi hình học là gì?
Tầng nhiệm vụ chỉ biết logic nên có thể đưa ra kế hoạch hợp lệ mà không thực hiện được về hình học. Tệ hơn, thất bại ở bước sau có thể do lựa chọn ở bước trước gây ra.
Mô hình ngôn ngữ đóng vai trò gì trong lập kế hoạch?
Vai trò sinh phương án, không phải quyết định. Nó xử lý lệnh tự nhiên và có tri thức thường thức, nhưng bịa vật thể, bỏ sót bước và không nhất quán, nên cần bộ kiểm hình học phủ quyết.
Nguyên tắc thiết kế thực dụng khi kế hoạch gặp thực tế?
Kế hoạch ngắn, kiểm tra sau mỗi bước, sẵn sàng lập lại. Kế hoạch dài hai mươi bước tính hoàn hảo từ đầu gần như chắc chắn hỏng giữa chừng.
Đọc thêm trong Phòng lab & nhóm nghiên cứu và Thị giác máy cho robot.
