ŠIMPANJA obavlja jedan od najtežih zadataka - pokušava pričvrstiti vatrogasno crijevo na hidrant
Domaćin Agencije za napredne odbrambene istraživačke projekte (DARPA), Robotics Challenge obećava revoluciju u mogućnostima sistema i načinu na koji su oni dizajnirani. Pogledajmo ovaj događaj i ocijenimo mišljenje brojnih ključnih igrača
Japan je 11. marta 2011. godine pogodio snažan potres s epicentrom oko 70 km od istočne obale Honšua. Kao rezultat potresa magnitude 9, nastali su valovi koji su dosegli visinu od 40 metara i širili se prema unutrašnjosti 10 km.
Nuklearna elektrana Fukushima I. stala je na put razornom tsunamiju. Kad su džinovski valovi pogodili stanicu, reaktori su katastrofalno uništeni. Ovaj incident postao je najgora nuklearna tragedija od nesreće u nuklearnoj elektrani u Černobilu 1986. godine. Ovaj događaj je poslužio kao osnova za scenarij možda jednog od najznačajnijih programa robotike do sada - DRC (DARPA Robotics Challenge - praktična ispitivanja robotskih sistema u okviru programa Advanced Research and Development Administration Ministarstva odbrane SAD -a).
Ispitivanja DRC -a najavljena su u travnju 2012., a kao scenarij za ova suđenja izabrana je pomoć u katastrofi. Razvoj novih sistema morao se odvijati u okviru ovog scenarija, uglavnom zbog činjenice da je bio uključen u 10 ključnih misija američkog Ministarstva odbrane, koje su Bijela kuća i ministar odbrane identificirali u januaru 2012. U decembru 2013. godine, u okviru ovih takmičenja, prošla je važna faza, kada su prvi put na Floridi izvedena prva „potpuna“testiranja.
DRC-i se razlikuju na nekoliko inovativnih načina, kombiniraju virtualno i terensko testiranje i otvoreni su za financirane i nefinancirane timove. Ovaj događaj se sastoji od četiri takozvane sekcije ili numere; DARPA je pružila financijsku podršku za dvije staze Track A i Track B i otvorila ova takmičenja za sve novopridošle.
Od četiri staze, dvije (staza A i staza B) su dobile finansiranje. Nakon opće objave i podnošenja aplikacija, DARPA je odabrala sedam timova za stazu A za razvoj novog hardvera i softvera; u stazi B, 11 timova razvilo je samo softver.
Staza C se ne financira i otvorena je za nove članove iz cijelog svijeta; Kao i učesnici staze B, njeni učesnici su prvenstveno koristili program za simulaciju virtuelnog robota za testiranje svog softvera. Staza D namijenjena je stranim saradnicima koji žele razviti hardver i softver, ali bez finansiranja DARPA -e u bilo kojoj fazi.
Ključ inovativnog pristupa DRC -a je komponenta VRC (Virtual Robotics Challenge). Najbolje rangirani timovi - bilo sa staze B ili C - dobit će sredstva od DARPA -e, kao i robota Atlas iz Boston Dynamics -a, s kojim će sudjelovati u terenskim testovima.
U maju 2013., timovi sa staze B i staze C prijavili su se za kvalifikaciju za VRC, koji je održan sljedećeg mjeseca. Od više od 100 prijavljenih timova, samo 26 je nastavilo s prelaskom u VRC, a samo 7 timova pristupilo je opsežnim testovima.
VRC -ovi su se odvijali u visoko preciznom virtualnom prostoru licenciranom pod licencom Apache 2 od Open Source Foundation. Timovi su imali zadatak da završe tri od osam zadataka koji su identifikovani za prave robote u prvim testovima na terenu.
Testiranje
Iako su roboti demonstrirani u VRC -u bili impresivni, kako bi se oni ponašali na poljskim testovima nije bilo 100% izvjesno; međutim, Jill Pratt, programska direktorica DRC Competition -a, rekla je da je vrlo zadovoljan njihovim mogućnostima. “Očekivali smo da ćemo, budući da je ovo bio prvi fizički dio testa, vidjeti mnogo hardverskih kvarova, ali u stvari to nije bio slučaj, sav hardver je bio vrlo pouzdan. Prvih nekoliko timova, posebno prva tri, uspjeli su osvojiti više od polovine bodova i postigli su značajan napredak čak i kad smo se namjerno ometali u komunikacijski kanal."
Pratt je također bio impresioniran mogućnostima Atlasovog robota: "Zaista je nadmašilo naša očekivanja … Boston Dynamics obavio je izvrstan posao kako bi osigurao da niko od timova ne bude oštećen bilo kakvim hardverskim kvarom."
Međutim, još uvijek postoji prostor za poboljšanja, kao što su ruke manipulatora s ograničenim radnim prostorom i curenje iz hidrauličnog sistema robota. Proces modernizacije počeo je čak i prije događaja u decembru 2013. Pratt je rekao da bi također želio povećati broj različitih instrumenata u finalu, a roboti će najvjerovatnije imati pojas s alatima iz kojih će morati odabrati potrebne alate i promijeniti ih tokom izvršavanja skripte.
Robota Atlas pohvalio je i Doug Stephen, istraživač i softverski inženjer na Floridskom institutu za ljudske i mašinske kognitivne sposobnosti, čiji je tim na drugom mjestu na stazi B u pokusima. "Ovo je zaista divan robot … s njim smo radili 200 sati čistog vremena u dva ili tri mjeseca i to je vrlo neobično za eksperimentalnu platformu - sposobnost da radi stabilno i da se ne lomi."
Iza impresivnih robotskih sposobnosti DRC -a postoje doslovno herojski napori; zadaci su osmišljeni kao posebno izazovni i izazivaju hardver i softver koji su razvili timovi.
Iako su zadaci bili teški, Pratt ne smatra da je DARPA previsoko postavio ljestvicu, napominjući da je svaki zadatak završio barem jedan od timova. Utvrđeno je da su vožnja i spajanje rukava najteži zadaci. Prema Stephenu, prvi je bio najteži: „Definitivno bih rekao - zadatak vožnje autom, pa čak ni zbog same vožnje. Ako želite potpuno autonomnu vožnju, što je jako teško, uvijek imate robota. Vožnja nije bila tako teška, ali izlazak iz automobila je mnogo teži nego što ljudi mogu zamisliti; to je kao rješavanje velike 3D zagonetke."
U skladu s formatom finala DRC -a, koji će se održati u prosincu 2014., svi će se zadaci kombinirati u jedan kontinuirani scenarij. Ovo je sve kako bi se učinilo vjerodostojnijim i timovima dalo strateški izbor kako će to izvršiti. Poteškoće će se također povećati, a Pratt je dodao: „Naš izazov za timove koji su se odlično snašli u Homesteadu je učiniti ih još težima. Uklonit ćemo vezane kablove, ukloniti komunikacijske kabele i zamijeniti ih bežičnim kanalom, dok ćemo kvalitetu veze umanjiti tako da bude još gora nego u prethodnim testovima."
“Trenutno mi je plan da vezu učinim isprekidanom, s vremena na vrijeme će morati potpuno nestati, i vjerujem da bi to trebalo biti učinjeno nasumičnim redoslijedom, kao što se to događa u stvarnim katastrofama. Pogledajmo što roboti mogu učiniti, radeći nekoliko sekundi, ili možda do minute, pokušavajući sami izvesti neke podzadaće, čak i ako nisu potpuno odsječeni od kontrole operatora i mislim da će to biti vrlo zanimljivo vid."
Pratt je rekao da će i sigurnosni sistemi biti uklonjeni u finalu. "To znači da će robot morati izdržati pad, to također znači da se mora sam penjati i to će zapravo biti prilično teško."
Robot Schaft uklanja krhotine sa svoje putanje
Izazovi i strategije
Od osam timova tokom testiranja, pet je koristilo robota ATLAS, međutim, učesnici staze A - pobjednik Team Schafta i treći pobjednik Team Tartan Rescue - koristili su svoj razvoj. Izvorno iz Nacionalnog inženjerskog centra za robotiku Univerziteta Carnegie Mellon (CMU), Tartan Rescue razvio je CMU visoko inteligentnu mobilnu platformu (CHIMP) za testiranje DRC -a. Tony Stentz iz Tartan Rescue objasnio je obrazloženje tima za razvoj vlastitog sistema: "Možda bi bilo sigurnije koristiti gotovog humanoidnog robota, ali znali smo da bismo mogli stvoriti bolji dizajn za odgovor na katastrofe."
“Znali smo da moramo stvoriti nešto otprilike ljudsko, ali nismo voljeli potrebu da humanoidni roboti održavaju ravnotežu dok se kreću. Kada se dvonožni roboti kreću, moraju održavati ravnotežu kako ne bi pali, a to je prilično teško na ravnoj površini, ali kada govorite o kretanju kroz građevinske ostatke i gaženju objekata koji se mogu kretati, postaje još teže. Stoga je ŠIMPANA statički stabilna, leži na prilično širokoj podlozi i u uspravnom položaju kotrlja se na par gusjenica pod nogama, tako da se može kretati naprijed -natrag i okretati se na mjestu. Može se postaviti dovoljno jednostavno da ispružite ruke da nosite sve što vam je potrebno na zadatku; kada se treba kretati po težim terenima može pasti na sva četiri udova, budući da na rukama ima i propelere gusjenice.
Neizbježno su se timovi s različitih staza suočavali s različitim izazovima u pripremi za testove, a Institut za ljudske i mašinske kognitivne sposobnosti fokusirao se na razvoj softvera, jer je to najteži problem - prijelaz s VRC -a na probleme na terenu. Stephen je rekao da je „kada nam je isporučen Atlas robot imao dva„ moda “koja ste mogli koristiti. Prvi je jednostavan skup pokreta koje nudi Boston Dynamics koji biste mogli koristiti za kretanje i koji je bio malo nerazvijen. Ispostavilo se da je većina timova koristila ove ugrađene načine iz Boston Dynamics-a tokom natjecanja Homestead, vrlo mali broj timova je napisao vlastiti softver za upravljanje robotima, a nitko nije napisao svoj softver za cijelog robota …"
"Napisali smo vlastiti softver od nule i to je bio kontroler cijelog tijela, odnosno bio je to jedan kontroler koji je radio u svim zadacima, nikada nismo prelazili na druge programe ili na drugi kontroler … Dakle, jedan od najtežih zadataka trebao je stvoriti programski kôd i pokrenuti ga na Atlasu jer je to bila neka crna kutija kada nam ga je predstavila Boston Dynamics, ali to je njihov robot i njihova IP adresa tako da zaista nismo imali pristup na niskom nivou do ugrađenog računara. softver radi na vanjskom računaru, a zatim komunicira pomoću API-ja (aplikacijskog programskog sučelja) preko vlakana sa ugrađenim računarom, pa dolazi do velikih kašnjenja i problema sa sinkronizacijom i postaje prilično teško kontrolirati tako složen sistem kao što je Atlas."
Iako je pisanje vlastitog koda od nule zasigurno bilo teže i dugotrajno za Institut za kognitivne sposobnosti ljudi i mašina, Stephen vjeruje da je ovaj pristup isplativiji, jer kada se pojave problemi, oni se mogu riješiti brže nego oslanjajući se na Boston Dynamics. Osim toga, prateći softver Atlas nije bio toliko napredan kao softver koji Boston Dynamics koristi u vlastitim demonstracijama “kada su poslali robota … otvoreno su rekli da pokreti nisu ono što vidite kada Boston Dynamics otpremi video zapis robot na Youtube. radi na softveru ove kompanije. Ovo je manje napredna verzija … ovo je dovoljno za obuku robota. Ne znam da li će dati kôd naredbama koje će koristiti, mislim da nisu očekivali da će svi napisati svoj softver. Odnosno, ono što je isporučeno zajedno s robotom moguće je od samog početka i nije imalo namjeru dovršiti svih osam zadataka u praktičnim testovima DRK -a."
Najveći izazov za tim za spašavanje Tartana bio je gust raspored kojeg su se morali pridržavati pri razvoju nove platforme i povezanog softvera. “Prije 15 mjeseci CHIMP je bio samo koncept, crtež na papiru, pa smo morali dizajnirati dijelove, izraditi komponente, sastaviti sve i sve to testirati. Znali smo da će nam oduzeti većinu vremena, nismo mogli čekati i početi pisati softver dok robot ne bude spreman, pa smo počeli paralelno razvijati softver. Zapravo nismo imali punopravnog robota za rad, pa smo tokom razvoja koristili simulatore i zamjene hardvera. Na primjer, imali smo zasebnu ruku manipulatora koju smo mogli koristiti za provjeru određenih stvari na jednom udu”, objasnio je Stentz.
Pozivajući se na komplikacije koje će dodatno povećati degradaciju kanala za prijenos podataka, Stentz je napomenuo da je ova odluka od samog početka donesena posebno za takve situacije i da to nije jako težak problem. „Na glavi robota imamo montirane senzore-laserske daljinomere i kamere-koji nam omogućavaju da izgradimo kompletnu 3-D mapu teksture i model okruženja robota; ovo je ono što koristimo sa strane operatera za upravljanje robotom i možemo zamisliti ovu situaciju u različitim rezolucijama ovisno o raspoloživom frekvencijskom pojasu i komunikacijskom kanalu. Možemo usredotočiti svoju pažnju i postići višu rezoluciju u nekim područjima i manju rezoluciju u drugim područjima. Imamo mogućnost daljinskog upravljanja robotom, ali preferiramo viši nivo kontrole kada definiramo ciljeve za robota i ovaj način upravljanja je otporniji na gubitak signala i kašnjenja.”
Robot Schaft otvara vrata. Poboljšane mogućnosti rukovanja robotima bit će neophodne za buduće sisteme
Sljedeći koraci
Stentz i Stephen rekli su da njihovi timovi trenutno procjenjuju svoje sposobnosti na testovima u stvarnom svijetu kako bi procijenili koje radnje treba poduzeti da bi se krenulo naprijed, te da čekaju DARPA pregled i dodatne informacije o tome šta će biti u finalu. Stephen je rekao da se i oni raduju što će dobiti neke izmjene za Atlas, ističući jedan već odobreni zahtjev za finale - korištenje ugrađenog napajanja. Za ŠIMPANE to nije problem, jer robot s električnim pogonom već može nositi vlastite baterije.
Stentz i Stephen složili su se da postoji niz izazova koje je potrebno riješiti u razvoju prostora robotskih sistema i stvaranju tipova platformi koje se mogu koristiti u scenarijima pomoći u katastrofama. “Rekao bih da ne postoji jedna stvar na svijetu koja bi mogla biti lijek. Što se tiče hardvera, vjerujem da mašine sa fleksibilnijim mogućnostima manipulacije mogu biti korisne. Što se tiče softvera, vjerujem da je robotima potreban veći nivo autonomije kako bi mogli bolje raditi bez komunikacijskog kanala u udaljenim operacijama; mogu brže dovršiti zadatke jer sami puno rade i donose više odluka u jedinici vremena. Mislim da je dobra vijest da su takmičenja DARPA zaista osmišljena da promoviraju i hardver i softver”, rekao je Stentz.
Stephen vjeruje da su potrebna i poboljšanja u procesima razvoja tehnologije. „Kao programer, vidim mnogo načina za poboljšanje softvera, a vidim i mnoge mogućnosti za poboljšanje dok radim na ovim mašinama. Mnogo zanimljivih stvari događa se u laboratorijima i na univerzitetima gdje možda nema jake kulture ovog procesa, pa ponekad rad ide nasumično. Također, gledajući zaista zanimljive projekte u suđenjima DRC -a, shvatate da postoji mnogo prostora za hardverska poboljšanja i inovacije."
Stephen je primijetio da je Atlas odličan primjer onoga što se može postići - funkcionalan sistem razvijen u kratkom vremenu.
Za Pratta je, međutim, problem više definiran i vjeruje da bi poboljšanje softvera trebalo biti na prvom mjestu. „Ono na što pokušavam preći je da se većina softvera nalazi između ušiju. Mislim, šta se dešava u mozgu operatera, šta se dešava u mozgu robota i kako se njih dvoje slažu jedni s drugima. Želimo se fokusirati na hardver robota i još uvijek imamo problema s njim, na primjer, imamo probleme s troškovima proizvodnje, energetskom efikasnošću … Nesumnjivo je najteži dio softver; to je programski kod za sučelje robot-čovjek i programski kod za same robote koji sami obavljaju zadatak, što uključuje percepciju i situacijsku svijest, svijest o onome što se događa u svijetu i izbore na osnovu onoga što se robot nalazi opaža."
Pratt vjeruje da je pronalaženje komercijalnih robotskih aplikacija ključno za razvoj naprednih sistema i napredovanje industrije. “Mislim da nam zaista trebaju komercijalne aplikacije osim upravljanja katastrofama i opće odbrane. Istina je da su tržišta, odbrana, reagiranje u hitnim slučajevima i pomoć u katastrofama sićušna u odnosu na komercijalno tržište."
“Volimo puno pričati o tome na DARPA -i, uzimajući za primjer mobilne telefone. DARPA je financirala mnoge događaje koji su doveli do tehnologije koja se koristi u mobitelima … Da je ovo samo odbrambeno tržište za koje su ćelije namijenjene, koštale bi mnogo više nego sada, a to je zbog ogromno komercijalno tržište koje je omogućilo nevjerojatnu dostupnost mobilnih telefona …"
“Na području robotike smatramo da nam je potreban upravo ovaj slijed događaja. Moramo vidjeti kako komercijalni svijet kupuje aplikacije zbog kojih će cijene padati, a zatim možemo stvoriti sisteme posebno za vojsku, u koje će se ulagati komercijalno."
Prvih osam timova učestvovat će u ogledima u decembru 2014. - Team Schaft, IHMC Robotics, Tartan Rescue, Team MIT, Robosimian, Team TRAClabs, WRECS i Team Trooper. Svaki će dobiti 1 milijun dolara za poboljšanje svojih rješenja, a na kraju će pobjednički tim dobiti nagradu od 2 milijuna dolara, iako je za većinu priznanje mnogo vrijednije od novca.
Robosimian iz NASA -ine laboratorije za mlazni pogon ima neobičan dizajn
Virtuelni element
Uključivanje DARPA -e dvije verzije u DRC suđenja, u kojima učestvuju samo timovi za razvoj softvera, govori o želji uprave da otvori programe za što širi krug učesnika. Ranije su takvi programi razvoja tehnologije bili prerogativ odbrambenih kompanija i istraživačkih laboratorija. Međutim, stvaranje virtualnog prostora u kojem svaki tim može testirati svoj softver omogućio je konkurentima koji su imali malo ili nimalo iskustva u razvoju softvera za robote da se natječu na istom nivou kao i poznate kompanije u ovoj oblasti. DARPA takođe posmatra simulirani prostor kao dugoročno nasleđe DRC testiranja.
DARPA je 2012. godine naručila Open Source Foundation za razvoj virtualnog prostora za Challenge, a organizacija je krenula u stvaranje otvorenog modela koristeći softver Gazebo. Gazebo je sposoban simulirati robote, senzore i objekte u 3D svijetu, a dizajniran je za pružanje realnih podataka senzora i onoga što se opisuje kao „fizički prihvatljive interakcije“između objekata.
Predsjednik Fondacije otvorenog koda Brian Goerkey rekao je da je Gazebo korišten zbog dokazanih sposobnosti. „Ovaj paket se prilično široko koristi u robotskoj zajednici, zbog čega je DARPA htjela da se kladi na njega, jer smo vidjeli njegove prednosti u onome što radi; mogli bismo oko nje izgraditi zajednicu programera i korisnika."
Dok je Gazebo već bio poznat sistem, Gorky je primijetio da, iako još uvijek ima prostora za težnju, treba poduzeti korake kako bi se ispunili zahtjevi koje je utvrdio DARPA. “Učinili smo vrlo malo u modeliranju hodajućih robota, uglavnom smo se fokusirali na platforme na kotačima, a neki aspekti modeliranja hodajućih robota su prilično različiti. Morate biti vrlo oprezni u vezi s načinom razrješenja kontakata i modeliranjem robota. Na ovaj način možete dobiti dobre parametre u zamjenu za tačnost. Mnogo je truda uloženo u detaljnu simulaciju fizike robota, tako da možete dobiti simulacije dobrog kvaliteta, a također i natjerati robota da radi u gotovo stvarnom vremenu, za razliku od rada u jednoj desetini ili stotinci stvarnog vremena, što je vjerojatno, ako ne i sav trud koji uložite u to."
Simulirani Atlas robot ulazi u automobil tokom faze virtualnog takmičenja DRK -a
Što se tiče simulacije robota Atlas za virtualni prostor, Görki je rekao da je Fondacija morala početi s osnovnim skupom podataka. “Počeli smo s modelom koji je osigurao Boston Dynamics, nismo počeli s detaljnim CAD modelima, imali smo pojednostavljeni kinematički model koji nam je dostavljen. U osnovi tekstualna datoteka koja kaže koliko je dugačka ova noga, koliko je velika itd. Izazov za nas bio je ispravno i precizno prilagođavanje ovog modela kako bismo mogli postići kompromis u performansama u zamjenu za tačnost. Ako ga modelirate na pojednostavljen način, tada možete unijeti neke netočnosti u temeljni mehanizam fizike, što će ga učiniti nestabilnim u određenim situacijama. Stoga je mnogo posla potrebno malo promijeniti model, au nekim slučajevima napisati vlastiti kod za simulaciju određenih dijelova sistema. Ovo nije samo simulacija jednostavne fizike, postoji nivo ispod kojeg nećemo ići."
Pratt je vrlo pozitivan u pogledu postignutog s VRC -om i simuliranim prostorom. “Uradili smo nešto što se dosad nije dogodilo, stvorili realnu simulaciju procesa s fizičkog stajališta koja se može izvoditi u stvarnom vremenu tako da operater može obaviti svoj interaktivni posao. Ovo vam je zaista potrebno, jer govorimo o osobi i robotu kao jednom timu, pa bi simulacija robota trebala raditi u istom vremenskom okviru kao i osoba, što znači u stvarnom vremenu. Ovdje je pak potreban kompromis između preciznosti modela i njegove stabilnosti … Vjerujem da smo mnogo postigli u virtualnom natjecanju."
Stephen je objasnio da se IHMC -ov Institut za kognitivne sposobnosti ljudi i mašina suočio s različitim izazovima u razvoju softvera. “Koristili smo vlastito simulacijsko okruženje, koje smo integrirali s Gazebom u sklopu virtualnog natjecanja, ali veliki dio našeg razvoja odvija se na našoj platformi pod nazivom Simulation Construction Set … koristili smo naš softver kada smo lansirali pravog robota, dosta smo se bavili modeliranjem i ovo je jedan od naših temelja, radujemo se velikom iskustvu u razvoju softvera."
Stephen je rekao da je programski jezik Java preferiran na IHMC -u jer ima "zaista impresivan skup alata koji je odrastao oko njega". Napomenuo je da je pri kombiniranju Gazeba i vlastitog softvera „glavni problem to što naš softver pišemo u Javi, a većina softvera za robote koristi C ili C ++, koji su vrlo dobri za ugrađene sisteme. Ali želimo da radimo u Javi onako kako želimo - da naš kôd radi u određenom vremenskom okviru, jer je implementiran u C ili C ++, ali ga niko drugi ne koristi. Veliki je problem natjerati sve Gazebo programe da rade s našim Java kodom.”
DARPA i Open Source Foundation nastavljaju razvijati i poboljšavati simulaciju i virtualni prostor. “Počinjemo s implementacijom elemenata koji će simulator učiniti korisnijim u drugom okruženju, izvan mjesta spašavanja. Na primjer, uzimamo softver koji smo koristili na natjecanju (nazvan CloudSim jer simulira u cloud computing okruženju) i razvijamo ga s namjerom da se pokreće na cloud serverima”, rekao je Görki.
Jedna od glavnih prednosti postojanja simuliranog okruženja otvorenog za javnu upotrebu i rada s njim u oblaku je to što se proračuni na visokom nivou mogu izvoditi pomoću moćnijih sistema na poslužiteljima, čime se ljudima omogućuje korištenje lakih računara, pa čak i netbookova i tableta da radite na svom radnom mestu. Görki također vjeruje da će ovaj pristup biti vrlo koristan za nastavu, kao i za dizajn i razvoj proizvoda. "Moći ćete pristupiti ovom simulacijskom okruženju sa bilo kojeg mjesta u svijetu i isprobati svog novog robota u njemu."
