CHIMP provádí jeden z nejtěžších úkolů - pokus o připojení požární hadice k hydrantu
Pořádá Agentura pro obranný pokročilý výzkumný projekt (DARPA), Robotics Challenge slibuje revoluci v schopnostech systémů a v tom, jak jsou navrženy. Podívejme se na tuto událost a zhodnoťme názor řady klíčových hráčů
11. března 2011 zasáhlo Japonsko silné zemětřesení s epicentrem asi 70 km od východního pobřeží Honšú. V důsledku zemětřesení o síle 9 stupňů se vytvořily vlny, které dosáhly výšky 40 metrů a šířily se ve vnitrozemí po dobu 10 km.
V cestě ničivé tsunami stála jaderná elektrárna Fukušima I. Když stanici zasáhly obrovské vlny, byly reaktory katastrofálně zničeny. Tento incident se stal nejhorší jadernou tragédií od nehody v černobylské jaderné elektrárně v roce 1986. Tato událost vytvořila základ pro scénář asi jednoho z nejvýznamnějších programů robotiky doposud - DRC (DARPA Robotics Challenge - praktické testy robotických systémů v rámci programu Advanced Research and Development Administration programu amerického ministerstva obrany).
Zkoušky DRC byly vyhlášeny v dubnu 2012 a jako scénář pro tyto zkoušky byla zvolena pomoc při katastrofách. V rámci tohoto scénáře musel být vývoj nových systémů proveden, a to především kvůli tomu, že byl zařazen do 10 klíčových misí amerického ministerstva obrany, které v lednu identifikoval Bílý dům a ministr obrany 2012. V prosinci 2013 v rámci těchto soutěží proběhla důležitá etapa, kdy byly na Floridě poprvé provedeny první testy „v plném rozsahu“.
DRC se liší několika inovativními způsoby, kombinují virtuální a terénní testování a jsou otevřené týmům financovaným i nefinancovaným. Tato událost se skládá ze čtyř takzvaných sekcí nebo kolejí; DARPA poskytla finanční podporu dvěma stopám Track A a Track B a otevřela tyto soutěže všem nově příchozím.
Ze čtyř kolejí byly financovány dvě (trať A a trať B). Po obecném oznámení a odeslání přihlášky vybrala DARPA sedm týmů pro Track A na vývoj nového hardwaru a softwaru; v Track B vyvinula 11 týmů pouze software.
Track C není financován a je otevřen novým členům z celého světa; Stejně jako účastníci Track B, jeho účastníci primárně používali k testování svého softwaru program simulace virtuálních robotů. Track D je určen zahraničním přispěvatelům, kteří chtějí vyvíjet hardware a software, ale bez financování DARPA v jakékoli fázi.
Klíčem k inovativnímu přístupu DRC je komponenta VRC (Virtual Robotics Challenge). Nejlépe hodnocené týmy - ať už z Track B nebo C - získají finanční prostředky od DARPA, stejně jako robot Atlas od Boston Dynamics, se kterým se zúčastní terénních testů.
V květnu 2013 se týmy z Track B a Track C ucházely o kvalifikaci pro VRC, která se konala následující měsíc. Z více než 100 registrovaných týmů pouze 26 pokračovalo v přechodu do VRC a pouze 7 týmů přistoupilo k plnohodnotným testům.
VRC probíhaly ve vysoce přesném virtuálním prostoru licencovaném pod licencí Apache 2 od Open Source Foundation. Týmy měly za úkol splnit tři z osmi úkolů, které byly identifikovány pro skutečné roboty v prvních terénních testech.
Testování
Zatímco roboti předvedení ve VRC byli působiví, to, jak by se chovali v testech v terénu, nebylo 100% jisté; Jill Pratt, programová ředitelka soutěže DRC, však uvedla, že je s jejich schopnostmi velmi spokojen. "Očekávali jsme, že jelikož se jednalo o první fyzickou část testu, mohli jsme vidět spoustu poruch hardwaru, ale ve skutečnosti tomu tak nebylo, veškerý hardware byl velmi spolehlivý." Prvních několik týmů, zejména první tři, dokázalo získat více než polovinu bodů a udělalo významný pokrok, i když jsme záměrně zasahovali do komunikačního kanálu. “
Pratt byl také ohromen schopnostmi robota Atlas: „Opravdu to předčilo naše očekávání … Společnost Boston Dynamics odvedla příkladnou práci, aby zajistila, že žádnému z týmů neublíží žádný druh selhání hardwaru.“
Stále je však co zlepšovat, například manipulační ramena s omezeným pracovním prostorem a úniky z hydraulického systému robota. Proces modernizace začal ještě před akcí v prosinci 2013. Pratt řekl, že by také rád zvýšil počet různých nástrojů ve finále a roboti budou mít s největší pravděpodobností pás s nástroji, ze kterých budou muset vybrat potřebné nástroje a změnit je během provádění skriptu.
Robota Atlas ocenil také Doug Stephen, výzkumník a softwarový inženýr Floridského institutu pro kognitivní schopnosti lidí a strojů, jehož tým se umístil na druhém místě na trati B v polních pokusech. „Je to docela úžasný robot … pracovali jsme s ním 200 hodin čistého času za dva nebo tři měsíce a to je na experimentální platformě velmi neobvyklé - schopnost pracovat stabilně a nerozbít se.“
Za působivými robotickými schopnostmi DRC stojí doslova hrdinské úsilí; úkoly jsou navrženy tak, aby byly obzvláště náročné a byly výzvou pro hardware a software vyvinutý týmy.
Zatímco úkoly byly obtížné, Pratt si nemyslí, že by DARPA nastavila laťku příliš vysoko, přičemž poznamenal, že každý úkol splnil alespoň jeden z týmů. Řízení a spojování rukávů bylo shledáno nejtěžším úkolem. Podle Stephena byl první nejtěžší: „Řekl bych rozhodně - úkol řídit auto, a to ani kvůli samotné jízdě. Pokud chcete plně autonomní řízení, což je velmi obtížné, pak máte vždy robota. Řízení nebylo tak obtížné, ale vystoupit z auta je mnohem obtížnější, než by si lidé dokázali představit; je to jako řešení velké 3D hádanky. “
V souladu s formátem finále DRC, které má proběhnout v prosinci 2014, budou všechny úkoly sloučeny do jednoho souvislého scénáře. To vše proto, aby to bylo důvěryhodnější a poskytlo týmům strategická rozhodnutí, jak to provést. Obtížnost se také zvýší a Pratt dodal: „Naší výzvou pro týmy, které si v Homestead vedly skvěle, je ještě to ztížit. Odstraníme upoutané kabely, odstraníme komunikační kabely a nahradíme je bezdrátovým kanálem, přičemž snížíme kvalitu připojení, aby bylo ještě horší než v předchozích testech. “
"V tuto chvíli mám v plánu přerušit spojení, občas bude muset úplně zmizet, a věřím, že by to mělo být provedeno v náhodném pořadí, jak se to děje při skutečných katastrofách." Podívejme se, co dokážou roboti, kteří pracují několik sekund nebo možná až minut, když se pokoušejí provádět některé dílčí úkoly samostatně, i když nejsou zcela odříznuti od ovládání operátora a myslím, že to bude velmi zajímavé pohled."
Pratt řekl, že ve finále budou také odstraněny bezpečnostní systémy. „To znamená, že robot bude muset odolat pádu, také to znamená, že musí vylézt sám a ve skutečnosti to bude docela obtížné.“
Robot Schaft odstraňuje nečistoty ze své dráhy
Výzvy a strategie
Z osmi týmů během testů pět používalo robota ATLAS, nicméně vývoj využili účastníci Track A - vítěz Team Schaft a třetí vítěz Team Tartan Rescue. Tartan Rescue vyvinul CMU Highly Intelligent Mobile Platform (CHIMP) pro testování DRC, původně z National Robotics Engineering Center Univerzity Carnegie Mellon University (CMU). Tony Stentz ze společnosti Tartan Rescue vysvětlil důvody týmu pro vývoj vlastního systému: „Mohlo by být bezpečnější použít off-the-shelf humanoidního robota, ale věděli jsme, že bychom mohli vytvořit lepší design pro reakci na katastrofy.“
"Věděli jsme, že musíme vytvořit něco zhruba lidského, ale nelíbila se nám potřeba humanoidních robotů udržovat rovnováhu při pohybu." Když se bipedální roboti pohybují, musí udržovat rovnováhu, aby nespadli, a to je na rovném povrchu docela obtížné, ale když mluvíte o pohybu stavebními odpadky a šlapání na předměty, které se mohou pohybovat, je to ještě obtížnější. Proto je CHIMP staticky stabilní, spočívá na dosti široké základně a ve vzpřímené poloze se kutálí na dvojici kolejí u nohou, takže se může pohybovat tam a zpět a otáčet se na místě. Lze jej snadno umístit tak, aby natáhl ruce, aby unesl vše, co potřebujete při úkolu; když se potřebuje pohybovat těžším terénem, může spadnout na všechny čtyři končetiny, protože má na rukou i housenkové vrtule.
Týmy z různých oborů se nevyhnutelně potýkaly s různými výzvami při přípravě na testy, Institut pro kognitivní schopnosti lidí a strojů se zaměřil na vývoj softwaru, protože toto je nejobtížnější problém - přechod od VRC k problémům v terénu. Stephen řekl, že „když nám byl robot Atlas dodán, měl dva„ režimy “, které můžete použít. První je jednoduchá sada pohybů poskytovaných společností Boston Dynamics, kterou byste mohli použít pro pohyb a která byla mírně nerozvinutá. Ukázalo se, že většina týmů používala tyto vestavěné režimy od Boston Dynamics během soutěže Homestead, velmi málo týmů psalo vlastní software pro ovládání robotů a nikdo nepsal vlastní software pro celý robot … “
„Napsali jsme vlastní software od nuly a byl to ovladač celého těla, to znamená, že to byl jeden ovladač, který fungoval ve všech úkolech, nikdy jsme nepřešli na jiné programy ani na jiný ovladač … Proto jeden z nejtěžších úkolů bylo vytvořit programový kód a spustit jej na Atlasu, protože to byla taková černá skříňka, když nám to Boston Dynamics představil, ale je to jejich robot a jejich IP, takže jsme opravdu neměli nízkoúrovňový přístup k palubnímu počítači. software běží na externím počítači a poté komunikuje pomocí rozhraní API (Application Programming Interface) přes vlákno s palubním počítačem, takže dochází k velkým zpožděním a problémům se synchronizací a ovládání tak složitého systému, jako je Atlas, je docela obtížné."
Zatímco psaní vlastního kódu od nuly bylo pro Institut pro kognitivní schopnosti lidí a strojů jistě obtížnější a časově náročnější, Stephen věří, že tento přístup je výnosnější, protože když nastanou problémy, lze je vyřešit rychleji, než se spoléhat na Boston Dynamics. Navíc doprovodný software Atlas nebyl tak pokročilý jako software, který Boston Dynamics používá ve svých vlastních ukázkách „když poslali robota … řekli zcela otevřeně, že pohyby nejsou tím, co vidíte, když Boston Dynamics nahraje video robot na Youtube. pracující na softwaru této společnosti. Toto je méně pokročilá verze … na výcvik robota to stačí. Nevím, jestli hodlají dát kód použitým příkazům, nemyslím si, že očekávali, že každý napíše svůj vlastní software. To znamená, že to, co bylo dodáno společně s robotem, je možné od samého začátku a nebylo určeno k dokončení všech osmi úkolů v praktických testech DRC. “
Největší výzvou pro tým Tartan Rescue byl těsný harmonogram, který museli při vývoji nové platformy a souvisejícího softwaru dodržovat. "Před patnácti měsíci byl CHIMP jen koncept, kresba na papíře, takže jsme museli navrhnout díly, vyrobit komponenty, dát to dohromady a všechno vyzkoušet." Věděli jsme, že nám to zabere většinu času, nemohli jsme čekat a začít psát software, dokud nebude robot připraven, a tak jsme začali vyvíjet software souběžně. Ve skutečnosti jsme neměli plnohodnotného robota, se kterým bychom mohli pracovat, proto jsme při vývoji používali simulátory a náhrady hardwaru. Například jsme měli samostatné manipulační rameno, které jsme mohli použít ke kontrole určitých věcí pro jednu končetinu, “vysvětlil Stentz.
S odkazem na komplikace, které přispějí k degradaci datových přenosových kanálů, Stentz poznamenal, že toto rozhodnutí bylo učiněno od samého začátku konkrétně pro takové situace a že to není příliš obtížný problém. "Na hlavě robota máme namontované senzory-laserové dálkoměry a kamery-což nám umožňuje vytvořit kompletní 3-D texturní mapu a model prostředí robota;" to je to, co používáme ze strany operátora k ovládání robota a můžeme si tuto situaci představit v různých rozlišeních v závislosti na dostupném frekvenčním pásmu a komunikačním kanálu. Můžeme zaměřit naši pozornost a dosáhnout vyššího rozlišení v některých oblastech a nižšího rozlišení v jiných oblastech. Máme schopnost dálkově ovládat robota přímo, ale upřednostňujeme vyšší úroveň ovládání, když definujeme cíle pro robota a tento režim ovládání je odolnější vůči ztrátě signálu a zpožděním. “
Robot Schaft otevírá dveře. Vylepšené schopnosti robotické manipulace budou pro budoucí systémy nutností
Další kroky
Stentz a Stephen uvedli, že jejich týmy v současné době vyhodnocují své schopnosti v reálných testech, aby posoudili, jaká opatření je třeba podniknout, aby se pohnuly vpřed, a že čekají na přezkoumání DARPA a další informace o tom, co bude ve finále. Stephen řekl, že se také těší na obdržení nějaké úpravy pro Atlas, přičemž si povšiml jednoho již schváleného požadavku na finále - použití palubního napájecího zdroje. Pro CHIMP to není problém, protože robot s elektrickými pohony již může nést vlastní baterie.
Stentz a Stephen se shodli, že při vývoji prostoru robotických systémů a vytváření typů platforem, které lze použít ve scénářích pomoci při katastrofách, je třeba řešit řadu výzev. "Řekl bych, že neexistuje žádná věc na světě, která by mohla být všelékem." Pokud jde o hardware, věřím, že stroje s flexibilnějšími manipulačními schopnostmi mohou být užitečné. Pokud jde o software, domnívám se, že roboti potřebují větší míru autonomie, aby mohli lépe fungovat bez komunikačního kanálu ve vzdálených operacích; dokážou plnit úkoly rychleji, protože sami toho udělají hodně a za jednotku času učiní více rozhodnutí. Myslím, že dobrou zprávou je, že soutěže DARPA jsou skutečně navrženy tak, aby propagovaly hardware i software, “řekl Stentz.
Stephen věří, že je zapotřebí také zlepšení v procesech vývoje technologií. "Jako programátor vidím mnoho způsobů, jak zlepšit software, a také vidím mnoho příležitostí ke zlepšení, když pracuji na těchto strojích."Mnoho zajímavých věcí se děje v laboratořích a na univerzitách, kde nemusí být silná kultura tohoto procesu, takže někdy jde práce nahodile. Také při pohledu na opravdu zajímavé projekty ve studiích DRC zjistíte, že je zde velký prostor pro vylepšení hardwaru a inovace. “
Stephen poznamenal, že Atlas je ukázkovým příkladem toho, čeho lze dosáhnout - fungující systém vyvinutý v krátké době.
Pro Pratta je však problém více definován a věří, že zlepšení softwaru by mělo být na prvním místě. "Pointa, kterou se snažím překonat, je, že většina softwaru je mezi ušima." Myslím tím, co se děje v mozku operátora, co se děje v mozku robota a jak se ti dva navzájem shodují. Chceme se zaměřit na hardware robota a stále s ním máme problémy, například máme problémy s výrobními náklady, energetickou účinností … Bezesporu nejtěžší je software; a je to programovací kód pro rozhraní robot-člověk a programovací kód pro samotné roboty, aby sami provedli úkol, což zahrnuje vnímání a situační povědomí, povědomí o tom, co se děje ve světě a volby na základě toho, co robot vnímá."
Pratt věří, že nalezení komerčních robotických aplikací je klíčem k vývoji pokročilých systémů a posouvání průmyslu vpřed. "Myslím, že opravdu potřebujeme komerční aplikace nad rámec řízení katastrof a obecné obrany." Pravdou je, že trhy, obrana, reakce na mimořádné události a pomoc při katastrofách jsou ve srovnání s komerčním trhem malé."
"Rádi o tom v DARPA hodně mluvíme, přičemž příkladem jsou mobilní telefony." DARPA financovala mnohé z vývoje, které vedly k technologii používané v mobilních telefonech … Pokud by to byl pouze obranný trh, pro který byly buňky určeny, stály by mnoho řádů více než nyní, a to je způsobeno obrovský komerční trh, který umožnil získat neuvěřitelnou dostupnost mobilních telefonů … “
"V oblasti robotiky se domníváme, že potřebujeme přesně tento sled událostí." Musíme vidět, jak komerční svět nakupuje aplikace, díky nimž budou ceny klesat, a pak můžeme vytvářet systémy speciálně pro armádu, do nichž budou investovány komerční investice. “
Prvních osm týmů se zúčastní zkoušek v prosinci 2014 - Team Schaft, IHMC Robotics, Tartan Rescue, Team MIT, Robosimian, Team TRAClabs, WRECS a Team Trooper. Každý dostane 1 milion dolarů na vylepšení svých řešení a nakonec vítězný tým získá cenu 2 miliony dolarů, i když pro většinu je uznání mnohem cennější než peníze.
Robosimian z Jet Propulsion Laboratory NASA má neobvyklý design
Virtuální prvek
Zahrnutí dvou tras DARPA do testů DRC, kterých se účastní pouze týmy pro vývoj softwaru, hovoří o přání vedení otevřít programy co nejširšímu okruhu účastníků. Dříve byly takové programy rozvoje technologií výsadou obranných společností a výzkumných laboratoří. Vytvoření virtuálního prostoru, ve kterém může každý tým testovat svůj software, však umožnilo konkurentům, kteří měli malé nebo žádné zkušenosti s vývojem softwaru pro roboty, soutěžit na stejné úrovni jako známé společnosti v této oblasti. DARPA také vidí simulovaný prostor jako dlouhodobý odkaz testování DRC.
V roce 2012 pověřila DARPA Open Source Foundation vývojem virtuálního prostoru pro výzvu a organizace se pustila do vytváření otevřeného modelu pomocí softwaru Gazebo. Gazebo je schopen simulovat roboty, senzory a objekty ve 3D světě a je navržen tak, aby poskytoval realistická data ze senzorů a to, co je popisováno jako „fyzicky věrohodné interakce“mezi objekty.
Předseda nadace Open Source Brian Goerkey řekl, že Gazebo byl používán kvůli jeho osvědčeným schopnostem. Tento balíček je v robotické komunitě poměrně široce používán, a proto na něj DARPA chtěla vsadit, protože jsme viděli jeho výhody v tom, co dělá; mohli bychom kolem toho vybudovat komunitu vývojářů a uživatelů. “
Zatímco Gazebo byl již dobře známým systémem, Gorky poznamenal, že i když stále existuje prostor, o který je třeba usilovat, je třeba učinit kroky ke splnění požadavků stanovených DARPA. "Na modelování kráčejících robotů jsme udělali velmi málo, zaměřili jsme se hlavně na platformy s koly a existují určité aspekty modelování kráčejících robotů, které jsou zcela odlišné." Musíte být velmi opatrní, jak nastavíte rozlišení kontaktu a jak modelujete robota. Tímto způsobem můžete získat dobré parametry výměnou za přesnost. Velká část úsilí byla věnována detailní simulaci fyziky robota, takže můžete získat kvalitní simulace a také robot pracovat téměř v reálném čase, na rozdíl od práce v jedné desetině nebo setině reálného času, což je pravděpodobné, nebýt veškeré snahy, kterou jste do toho vložili. “
Simulovaný robot Atlas nasedne do auta během fáze virtuální soutěže DRC
Pokud jde o simulaci robota Atlas pro virtuální prostor, Görki řekl, že nadace musela začít se základním souborem dat. "Začali jsme s modelem poskytnutým společností Boston Dynamics, nezačali jsme s podrobnými CAD modely, měli jsme zjednodušený kinematický model, který nám byl poskytnut." V podstatě textový soubor, který říká, jak je tato noha dlouhá, jak je velká a podobně. Úkolem pro nás bylo správně a přesně upravit tento model tak, abychom výměnou za přesnost mohli dosáhnout kompromisu ve výkonu. Pokud to modelováte zjednodušeným způsobem, můžete do základního fyzikálního enginu vnést určité nepřesnosti, což jej v určitých situacích nestabilní. Hodně práce je proto mírně změnit model a v některých případech napsat vlastní kód pro simulaci určitých částí systému. Nejde jen o simulaci jednoduché fyziky, existuje úroveň, pod kterou se nechystáme jít. “
Pratt velmi pozitivně hodnotí, čeho bylo s VRC a simulovaným prostorem dosaženo. "Udělali jsme něco, co se ještě nestalo, vytvořili jsme realistickou simulaci procesu z fyzického hlediska, kterou lze spustit v reálném čase, aby operátor mohl provádět svou interaktivní práci." Opravdu to potřebujete, protože mluvíme o člověku a robotu jako jednom týmu, takže simulace robota by měla fungovat ve stejném časovém rámci jako osoba, což znamená v reálném čase. Zde je zase potřeba kompromis mezi přesností modelu a jeho stabilitou … Věřím, že jsme ve virtuální konkurenci dosáhli hodně. “
Stephen vysvětlil, že Institut IHMC pro kognitivní schopnosti lidí a strojů čelí různým výzvám při vývoji softwaru. „Použili jsme vlastní simulační prostředí, které jsme integrovali s Gazebo jako součást virtuální soutěže, ale velká část našeho vývoje probíhá na naší platformě nazvané Simulation Construction Set … náš software jsme použili při spuštění skutečného robota, udělali jsme spoustu modelování a tento jeden z našich základních kamenů, těšíme se na spoustu dobrých zkušeností s vývojem softwaru. “
Stephen řekl, že na IHMC je preferován programovací jazyk Java, protože má „opravdu působivou sadu nástrojů, která kolem něj vyrostla“. Poznamenal, že při kombinaci Gazebo a jeho vlastního softwaru „je hlavním problémem to, že píšeme náš software v Javě a většina softwaru pro roboty používá C nebo C ++, které jsou velmi dobré pro vestavěné systémy. Chceme ale dělat práci v Javě tak, jak chceme - aby náš kód fungoval v určitém časovém rámci, protože je implementován v C nebo C ++, ale nikdo jiný jej nepoužívá. Je velkým problémem, aby všechny programy Gazebo fungovaly s naším kódem Java. “
DARPA a Open Source Foundation pokračují ve vývoji a zlepšování simulace a virtuálního prostoru. "Začínáme implementovat prvky, díky nimž bude simulátor užitečnější v jiném prostředí, mimo místo záchrany." Vezmeme například software, který jsme použili v soutěži (nazývaný CloudSim, protože simuluje v prostředí cloud computingu), a vyvíjíme jej se záměrem běžet na cloudových serverech, “řekl Görki.
Jednou z hlavních výhod otevřeného simulovaného prostředí pro veřejné použití a práce s ním v cloudu je to, že výpočty na vysoké úrovni mohou provádět výkonnější systémy na serverech, což lidem umožňuje používat své lehké počítače a dokonce i netbooky a tablety.pracovat na vašem pracovišti. Görki také věří, že tento přístup bude velmi užitečný pro výuku i pro návrh a vývoj produktů. „K tomuto simulačnímu prostředí budete mít přístup odkudkoli na světě a vyzkoušíte si v něm svého nového robota.“
