CHIMP изпълнява една от най -трудните задачи - опитва се да прикачи пожарен маркуч към хидрант
Домакин на Агенцията за напреднали изследователски проекти в областта на отбраната (DARPA), предизвикателството за роботика обещава да революционизира възможностите на системите и начина, по който те са проектирани. Нека да разгледаме това събитие и да оценим мнението на редица ключови играчи
На 11 март 2011 г. Япония беше засегната от мощно земетресение с епицентър на около 70 км от източния бряг на Хоншу. В резултат на земетресение с магнитуд 9 се образуват вълни, които достигат височина 40 метра и се разпространяват във вътрешността на страната за 10 км.
Атомната електроцентрала Фукушима I застана на пътя на опустошителното цунами. Когато гигантските вълни удариха станцията, реакторите бяха катастрофално разрушени. Този инцидент се превърна в най -тежката ядрена трагедия след аварията в атомната електроцентрала в Чернобил през 1986 г. Това събитие е в основата на сценария на може би една от най -значимите програми за роботика до момента - DRC (DARPA Robotics Challenge - практически тестове на роботизирани системи по програмата Advanced Research and Development Administration на Министерството на отбраната на САЩ).
Изпитанията на ДРК бяха обявени през април 2012 г. и като сценарий за тези изпитания бе избрана помощ при бедствия. Разработването на нови системи трябваше да се извърши в рамките на този сценарий, главно поради факта, че тя беше включена в 10 -те ключови мисии на Министерството на отбраната на САЩ, определени от Белия дом и министъра на отбраната през януари 2012 г. През декември 2013 г. в рамките на тези състезания премина важен етап, когато за първи път във Флорида бяха проведени първите „пълномащабни“тестове.
DRC се различават по няколко иновативни начина, те съчетават виртуални и полеви тестове и са отворени за финансирани и нефинансирани екипи. Това събитие се състои от четири така наречени секции или песни; DARPA предостави финансова подкрепа за две писти Track A и Track B и отвори тези състезания за всички новодошли.
От четирите парчета, две (Песен А и Б) получиха финансиране. След общо съобщение и подаване на заявления, DARPA избра седем екипа за писта А, за да разработят нов хардуер и софтуер; в писта Б, 11 екипа разработиха само софтуер.
Писта С не се финансира и е отворена за нови членове от цял свят; Подобно на участниците в писта Б, нейните участници използваха предимно програма за симулация на виртуален робот, за да тестват своя софтуер. Песен D е предназначена за чуждестранни сътрудници, които желаят да разработят хардуер и софтуер, но без финансиране от DARPA на всеки етап.
Ключът към иновативния подход на DRC е компонентът VRC (Virtual Robotics Challenge). Най -високо класираните отбори - независимо дали от писта B или C - ще получат финансиране от DARPA, както и робота Atlas от Boston Dynamics, с който ще участват в полеви тестове.
През май 2013 г. отбори от писта В и писта С кандидатстваха за класиране за VRC, който се проведе следващия месец. От повече от 100 регистрирани екипа, само 26 продължиха да се преместват във VRC и само 7 екипа се приближиха до пълномащабни тестове.
VRC се състояха във високо точно виртуално пространство, лицензирано под лиценза Apache 2 от Open Source Foundation. Екипите получиха задача да изпълнят три от осемте задачи, които бяха идентифицирани за истински роботи при първите полеви тестове.
Тестване
Докато роботите, демонстрирани в VRC, бяха впечатляващи, как ще се държат при полеви тестове не беше 100% сигурно; обаче Джил Прат, програмен директор на DRC Competition, заяви, че е много доволен от техните възможности. „Очаквахме, че тъй като това беше първата физическа част от теста, ще можем да видим много хардуерни сривове, но всъщност това не беше така, целият хардуер беше много надежден. Първите няколко отбора, особено първите три, успяха да спечелят повече от половината точки и постигнаха значителен напредък дори когато умишлено се намесихме в комуникационния канал."
Прат също беше впечатлен от възможностите на робота Atlas: „Това наистина надмина очакванията ни … Boston Dynamics е свършила примерна работа, за да гарантира, че никой от екипите не е пострадал от какъвто и да е хардуерен отказ.“
Все пак има място за подобрения, като например манипулаторни рамена с ограничено работно пространство и течове от хидравличната система на робота. Процесът на модернизация започна още преди събитието през декември 2013 г. Прат каза, че също би искал да увеличи броя на различните инструменти на финалите и роботите най -вероятно ще имат колан с инструменти, от които ще трябва да изберат необходимите инструменти и да ги променят по време на изпълнението на скрипта.
Роботът Atlas беше похвален и от Дъг Стивън, изследовател и софтуерен инженер във Флоридския институт за човешки и машинни когнитивни способности, чийто екип се класира на второ място в писта Б в полеви изпитания. "Това е доста прекрасен робот … работили сме с него 200 часа чисто време за два или три месеца и това е много необичайно за експериментална платформа - способността да работи стабилно и да не се счупи."
Зад впечатляващите роботизирани възможности на ДРК стоят буквално героични усилия; задачите са проектирани да бъдат особено предизвикателни и да предизвикват хардуера и софтуера, разработени от екипите.
Докато задачите бяха трудни, Прат не смята, че DARPA е поставил летвата твърде високо, отбелязвайки, че всяка задача е изпълнена от поне един от екипите. Шофирането и присъединяването на ръкавите бяха най -трудните задачи. Според Стивън първото е най -трудното: „Бих казал категорично - задачата да шофирам кола, и дори не заради самото шофиране. Ако искате напълно автономно шофиране, което е много трудно, винаги имате оператор робот. Шофирането не беше толкова трудно, но излизането от колата е много по -трудно, отколкото хората биха могли да си представят; това е като решаване на голям 3D пъзел."
В съответствие с формата на финалите на ДРК, който се очаква през декември 2014 г., всички задачи ще бъдат обединени в един непрекъснат сценарий. Всичко това има за цел да го направи по -надежден и да даде на екипите стратегически избор как да го изпълнят. Трудността също ще се увеличи и Прат добави: „Нашето предизвикателство за екипите, които са се справили отлично в Homestead, е да го направят още по -трудно. Ще премахнем привързаните кабели, ще премахнем комуникационните кабели и ще ги заменим с безжичен канал, докато ще влошим качеството на връзката, така че да е още по -лошо, отколкото в предишните тестове."
„Моят план в момента е да направя връзката прекъсната, понякога тя ще трябва да изчезне напълно и вярвам, че това трябва да стане в случаен ред, както се случва при истински бедствия. Нека да видим какво могат да направят роботите, като работят няколко секунди или може би до минута, опитвайки се да изпълняват някои подзадачи сами, дори и да не са напълно откъснати от контрола на оператора и мисля, че ще бъде много интересно гледка."
Прат каза, че системите за безопасност също ще бъдат премахнати на финалите. "Това означава, че роботът ще трябва да издържи падането, това също означава, че трябва да се изкачи самостоятелно и всъщност ще бъде доста трудно."
Роботът Schaft премахва отломките от пътя си
Предизвикателства и стратегии
От осемте екипа по време на тестовете, пет използваха робота ATLAS, но участниците в писта А - победителят в Team Schaft и третият победител в Team Tartan Rescue - използваха своите разработки. Първоначално от Националния център по роботика по инженерство по роботика в Университета Карнеги Мелън (CMU), Tartan Rescue е разработил CMU високоинтелигентна мобилна платформа (CHIMP) за тестване на DRC. Тони Стенц от Tartan Rescue обясни обосновката на екипа за разработване на собствена система: „Може да е по-безопасно да се използва готов човекоподобен робот, но ние знаехме, че можем да създадем по-добър дизайн за реакция при бедствия.“
„Знаехме, че трябва да създадем нещо грубо човешко, но не харесвахме нуждата от хуманоидни роботи, които да поддържат равновесие, докато се движат наоколо. Когато двуногите роботи се движат, те трябва да поддържат равновесие, за да не паднат, а това е доста трудно на равна повърхност, но когато говорите за придвижване през строителни отломки и стъпване върху предмети, които могат да се движат, става още по -трудно. Следователно, ШИМПА е статично стабилен, той лежи на доста широка основа и в изправено положение се търкаля по чифт писти в краката си, така че може да се движи напред -назад и да се обръща на място. Може да се позиционира достатъчно лесно, за да протегнете ръцете си, за да носите всичко необходимо по задание; когато трябва да се движи по по -труден терен, той може да падне и на четирите крайника, тъй като на ръцете си има и винтове на гъсеницата.
Неизбежно екипите от различни направления се сблъскаха с различни предизвикателства при подготовката за тестовете, Институтът за човешки и машинни когнитивни способности се фокусира върху разработването на софтуер, защото това е най -трудният проблем - преходът от VRC към полеви проблеми. Стивън каза, че „когато роботът Atlas ни беше доставен, той имаше два„ режима “, които можете да използвате. Първият е прост набор от движения, предоставени от Boston Dynamics, които бихте могли да използвате за движение и които са леко недоразвити. Оказа се, че повечето от екипите са използвали тези вградени режими от Boston Dynamics по време на състезанието Homestead, много малко екипи са написали свой собствен софтуер за управление на роботи и никой не е написал свой собствен софтуер за целия робот …"
„Ние написахме собствен софтуер от нулата и това беше контролер за цялото тяло, тоест това беше един контролер, който работеше при всички задачи, никога не сме преминавали към други програми или към друг контролер … Следователно, една от най -трудните задачи трябваше да създадем програмния код и да го стартираме на Atlas, тъй като беше нещо като черна кутия, когато Boston Dynamics ни го представи, но това е техният робот и техният IP, така че наистина нямахме достъп на ниско ниво до бордовия компютър. софтуерът работи на външен компютър и след това комуникира с помощта на API (Application Programming Interface) по влакно с бордовия компютър, така че има големи закъснения и проблеми със синхронизацията и става доста трудно да се контролира такава сложна система като Atlas."
Докато писането на собствен код от нулата със сигурност беше по-трудно и отнемаше време за Института за човешки и машинни когнитивни способности, Стивън смята, че този подход е по-изгоден, тъй като когато възникнат проблеми, те могат да бъдат решени по-бързо, отколкото да се разчита на Boston Dynamics. В допълнение, придружаващият софтуер на Atlas не беше толкова усъвършенстван като софтуера, който Boston Dynamics използва в собствените си демонстрации „когато изпратиха робота … те казаха съвсем открито, че движенията не са това, което виждате, когато Boston Dynamics качи видеоклип от роботът към Youtube. работи върху софтуера на тази компания. Това е по -малко напреднала версия … това е достатъчно за обучение на робота. Не знам дали щели да дадат кода на командите, които да използват, не мисля, че са очаквали всеки да напише свой собствен софтуер. Тоест това, което беше доставено заедно с робота, е възможно от самото начало и не е имало за цел да изпълни всичките осем задачи в практическите тестове на ДРК."
Най -голямото предизвикателство за екипа на Tartan Rescue беше тесният график, който трябваше да спазват при разработването на новата платформа и свързания с нея софтуер. „Преди 15 месеца CHIMP беше просто концепция, рисунка върху хартия, така че трябваше да проектираме частите, да направим компонентите, да съберем всичко и да тестваме всичко. Знаехме, че това ще ни отнеме по -голямата част от времето, нямахме търпение да започнем да пишем софтуер, докато роботът е готов, затова започнахме паралелно да разработваме софтуер. Всъщност нямахме пълноправен робот, с който да работим, затова използвахме симулатори и хардуерни заместители по време на разработката. Например, имахме отделна ръка за манипулатор, която можехме да използваме, за да проверяваме определени неща за един -единствен крайник “, обясни Стенц.
Позовавайки се на усложненията, които ще допринесат за влошаването на каналите за предаване на данни, Stentz отбеляза, че това решение е взето от самото начало специално за такива ситуации и че това не е много труден проблем. „Имаме сензори, монтирани на главата на робота-лазерни далекомери и камери-което ни позволява да изградим пълна 3-D текстурна карта и модел на околната среда на робота; това е, което използваме от страна на оператора за управление на робота и можем да си представим тази ситуация в различни резолюции в зависимост от наличната честотна лента и комуникационния канал. Можем да съсредоточим вниманието си и да получим по -висока разделителна способност в някои области и по -ниска резолюция в други области. Имаме възможност да управляваме дистанционно робота директно, но предпочитаме по -високо ниво на контрол, когато определяме цели за робота и този режим на управление е по -устойчив на загуба на сигнал и забавяне."
Роботът Schaft отваря вратата. Подобрените роботизирани възможности за управление ще бъдат задължителни за бъдещите системи
Следващи стъпки
Стенц и Стивън казаха, че техните екипи в момента оценяват способностите си в реални тестове, за да преценят какви действия трябва да се предприемат, за да продължат напред, и че очакват преглед на DARPA и допълнителна информация за това какво ще бъде на финалите. Стивън каза, че те също очакват с нетърпение да получат някои модификации за Atlas, като отбеляза едно вече одобрено изискване за финалите - използването на бордово захранване. За CHIMP това не е проблем, тъй като роботът с електрически задвижвания вече може да носи собствени батерии.
Стенц и Стивън се съгласиха, че има редица предизвикателства, които трябва да бъдат разгледани при разработването на пространството на роботизираните системи и създаването на типове платформи, които могат да се използват при сценарии за облекчаване на бедствия. „Бих казал, че няма нищо на света, което да е панацея. Що се отнася до хардуера, вярвам, че машините с по -гъвкави възможности за манипулиране могат да бъдат полезни. Що се отнася до софтуера, вярвам, че роботите се нуждаят от по -голямо ниво на автономност, за да могат да се представят по -добре без комуникационен канал при отдалечени операции; те могат да изпълняват задачите по -бързо, защото сами правят много и вземат повече решения за единица време. Мисля, че добрата новина е, че състезанията на DARPA наистина са предназначени да популяризират както хардуер, така и софтуер “, каза Стентц.
Стивън вярва, че са необходими и подобрения в процесите на технологично развитие. „Като програмист виждам много начини за подобряване на софтуера и виждам също много възможности за подобрение, докато работя на тези машини. Много интересни неща се случват в лаборатории и университети, където може да няма силна култура на този процес, така че понякога работата върви случайно. Освен това, разглеждайки наистина интересните проекти в изпитанията на ДРК, осъзнавате, че има много място за хардуерни подобрения и иновации."
Стивън отбеляза, че Атлас е отличен пример за това какво може да се постигне - работеща система, разработена за кратко време.
За Прат обаче проблемът е по -дефиниран и той вярва, че подобрението на софтуера трябва да е на първо място. „Това, което се опитвам да разбера, е, че по -голямата част от софтуера е между ушите. Искам да кажа какво се случва в мозъка на оператора, какво се случва в мозъка на робота и как двамата се съгласяват помежду си. Искаме да се съсредоточим върху хардуера на робота и все още имаме проблеми с него, например имаме проблеми с производствените разходи, енергийната ефективност … Несъмнено най -трудната част е софтуерът; и това е кодът за програмиране на интерфейса робот-човек и кодът за програмиране за самите роботи, които сами да изпълняват задачата, което включва възприятие и осъзнаване на ситуацията, осъзнаване на случващото се в света и избор въз основа на това, което роботът възприема."
Прат вярва, че намирането на приложения за търговски роботи е от ключово значение за разработването на усъвършенствани системи и придвижването на индустрията напред. „Мисля, че наистина се нуждаем от търговски приложения извън управлението на бедствия и общата отбрана. Истината е, че пазарите, отбраната, реагирането при извънредни ситуации и помощ при бедствия са малки в сравнение с търговския пазар."
„Обичаме да говорим много за това в DARPA, като вземем за пример мобилните телефони. DARPA е финансирала много от разработките, довели до технологията, използвана в мобилните телефони … Ако това беше само пазарът на отбрана, за който клетките бяха предназначени, те биха стрували много порядки повече от сега и това се дължи на огромен търговски пазар, който направи възможно получаването на невероятна наличност на мобилни телефони …"
„В областта на роботиката нашето мнение е, че имаме нужда точно от тази последователност от събития. Трябва да видим как търговският свят купува приложения, които ще накарат цените да паднат, а след това можем да създадем системи специално за военните, в които ще се правят търговски инвестиции."
Първите осем отбора ще участват в изпитанията през декември 2014 г. - Team Schaft, IHMC Robotics, Tartan Rescue, Team MIT, Robosimian, Team TRAClabs, WRECS и Team Trooper. Всеки ще получи 1 милион долара за подобряване на решенията си и в крайна сметка печелившият екип ще получи награда от 2 милиона долара, въпреки че за повечето признанието е много по -ценно от парите.
Робосимиан от лабораторията за реактивни двигатели на НАСА има необичаен дизайн
Виртуален елемент
Включването на DARPA на две писти в изпитанията на DRC, в които участват само екипи за разработка на софтуер, говори за желанието на ръководството да отвори програми за възможно най -широк кръг от участници. Преди това такива програми за развитие на технологии бяха прерогатив на отбранителните компании и изследователските лаборатории. Създаването на виртуално пространство, в което всеки екип може да тества своя софтуер, позволи на конкурентите, които имат малък или никакъв опит в разработването на софтуер за роботи, да се конкурират на същото ниво с добре познати компании в тази област. DARPA също разглежда симулираното пространство като дългосрочно наследство от тестването на DRC.
През 2012 г. DARPA възложи на Open Source Foundation да разработи виртуално пространство за предизвикателството, а организацията се зае да създаде отворен модел с помощта на софтуер Gazebo. Gazebo е способен да симулира роботи, сензори и обекти в 3D свят и е проектиран да предоставя реалистични сензорни данни и това, което е описано като „физически вероятни взаимодействия“между обекти.
Председателят на фондацията с отворен код Брайън Гьорки каза, че Gazebo е бил използван поради доказаните си възможности. „Този пакет се използва доста широко в роботизираната общност, поради което DARPA искаше да заложи на него, защото видяхме ползите му в това, което прави; бихме могли да изградим общност от разработчици и потребители около нея."
Докато Gazebo вече беше добре позната система, Горки отбеляза, че въпреки че все още има място за стремеж, трябва да се предприемат стъпки за изпълнение на изискванията, определени от DARPA. „Ние направихме много малко за моделиране на ходещи роботи, фокусирахме се основно върху колесни платформи и има някои аспекти на моделирането на ходещи роботи, които са доста различни. Трябва да сте много внимателни относно начина, по който правите разделителната способност на контакта и как моделирате робота. По този начин можете да получите добри параметри в замяна на точност. Много усилия са вложени в подробна симулация на физиката на робота, така че можете да получите симулации с добро качество и също така да накарате робота да работи в почти реално време, за разлика от работата в една десета или стотна част от реалното време, което е вероятно, ако не и всички усилия, които влагате в него."
Симулиран робот Atlas се качва в кола по време на етапа на виртуалното състезание на Конго
По отношение на симулацията на робота Atlas за виртуално пространство, Гьорки каза, че Фондацията трябва да започне с основен набор от данни. „Започнахме с модел, предоставен от Boston Dynamics, не започнахме с подробни CAD модели, имахме опростен кинематичен модел, който ни беше предоставен. По принцип текстов файл, който казва колко дълъг е този крак, колко е голям и т.н. Предизвикателството за нас беше да коригираме правилно и точно този модел, така че да можем да постигнем компромис в производителността в замяна на точност. Ако го моделирате по опростен начин, тогава можете да въведете някои неточности в основния двигател на физиката, което ще го направи нестабилен в определени ситуации. Следователно, много работа е да промените леко модела и в някои случаи да напишете свой собствен код, за да симулирате определени части от системата. Това не е само симулация на проста физика, има ниво, под което няма да отидем."
Прат е много положителен относно постигнатото с VRC и симулираното пространство. „Направихме нещо, което не се е случвало досега, създадохме реалистична симулация на процес от физическа гледна точка, която може да се изпълнява в реално време, така че операторът да може да свърши своята интерактивна работа. Наистина имате нужда от това, тъй като говорим за човек и робот като един екип, така че симулацията на робот трябва да работи в една и съща времева рамка като човек, което означава в реално време. Тук от своя страна е необходим компромис между точността на модела и неговата стабилност … Вярвам, че сме постигнали много във виртуалното състезание."
Стивън обясни, че Институтът за човешки и машинни когнитивни способности на IHMC е изправен пред различни предизвикателства при разработването на софтуер. „Използвахме собствена симулационна среда, която интегрирахме с Gazebo като част от виртуално състезание, но голяма част от развитието ни се извършва на нашата платформа, наречена Simulation Construction Set … използвахме нашия софтуер, когато стартирахме истински робот, направихме много моделиране и този един от нашите крайъгълни камъни очакваме много добър опит в разработката на софтуер."
Стивън каза, че езикът за програмиране на Java е предпочитан в IHMC, защото има „наистина впечатляващ набор от инструменти, който е израснал около него“. Той отбеляза, че при комбинирането на Gazebo и неговия собствен софтуер „основният проблем е, че пишем нашия софтуер на Java и повечето от софтуера за роботи използват C или C ++, които са много добри за вградени системи. Но ние искаме да работим в Java по начина, по който искаме - да накараме кода ни да работи в определена времева рамка, тъй като е реализиран в C или C ++, но никой друг не го използва. Голям проблем е да накараш всички програми на Gazebo да работят с нашия Java код.
DARPA и Open Source Foundation продължават да развиват и подобряват симулацията и виртуалното пространство. „Започваме да внедряваме елементи, които ще направят симулатора по -полезен в различна среда, извън спасителната площадка. Например, ние вземаме софтуера, който използвахме в състезанието (наречен CloudSim, защото симулира в облачната изчислителна среда) и го разработваме с намерението да работим на облачни сървъри “, каза Гьорки.
Едно от основните предимства на отворената за обществено ползване симулирана среда и работа с нея в облака е, че изчисленията на високо ниво могат да се извършват от по-мощни системи на сървъри, като по този начин позволяват на хората да използват своите леки компютри и дори нетбуци и таблети да работите на работното си място. Гьорки също вярва, че този подход ще бъде много полезен за преподаване, както и за проектиране и разработване на продукти. „Ще имате достъп до тази симулационна среда от всяка точка на света и ще изпробвате своя нов робот в нея.“
