ŠIMPANJA obavlja jedan od najtežih zadataka - pokušava pričvrstiti vatrogasno crijevo na hidrant
Domaćin Agencije za napredne obrambene istraživačke projekte (DARPA), Robotics Challenge obećava revoluciju u mogućnostima sustava i načinu na koji su oni projektirani. Pogledajmo ovaj događaj i ocijenimo mišljenje brojnih ključnih igrača
Japan je 11. ožujka 2011. godine pogodio snažan potres s epicentrom oko 70 km od istočne obale Honšua. Kao posljedica 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. Kada su divovski valovi pogodili stanicu, reaktori su bili katastrofalno uništeni. Ovaj incident postao je najgora nuklearna tragedija od nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil 1986. godine. Ovaj je događaj poslužio kao temelj za scenarij možda jednog od najznačajnijih programa robotike do sada - DRC (DARPA Robotics Challenge - praktična ispitivanja robotskih sustava u okviru programa Advanced Research and Development Administration Ministarstva obrane SAD -a).
Ispitivanja DRC -a najavljena su u travnju 2012., a kao scenarij za ta suđenja odabrana je pomoć u katastrofi. Razvoj novih sustava morao se provesti u okviru ovog scenarija, uglavnom zbog činjenice da je bio uključen u 10 ključnih misija američkog Ministarstva obrane, koje su Bijela kuća i ministar obrane identificirali u siječnju 2012. U prosincu 2013., u okviru ovih natjecanja, prošla je važna faza, kada su prvi put na Floridi provedena prva „full-scale“ispitivanja.
DRC-i se razlikuju na nekoliko inovativnih načina, kombiniraju virtualno i terensko testiranje te su otvoreni za financirane i nefinancirane timove. Ovaj se događaj sastoji od četiri takozvane sekcije ili pjesme; DARPA je pružila financijsku potporu za dvije pjesme Track A i Track B te je otvorila ova natjecanja za sve novopridošle.
Od četiri pjesme, dvije (staza A i staza B) su dobile financiranje. Nakon opće objave i podnošenja zahtjeva, 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; Poput sudionika na stazi B, njezini su sudionici prvenstveno koristili simulacijski program virtualnog robota za testiranje svog softvera. Staza D namijenjena je stranim suradnicima koji žele razviti hardver i softver, ali bez financiranja DARPA -e u bilo kojoj fazi.
Ključ inovativnog pristupa DRC -u je komponenta VRC (Virtual Robotics Challenge). Najbolje rangirani timovi - bilo s 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 svibnju 2013. timovi s staze B i staze C prijavili su se za kvalifikaciju za VRC, koji je održan sljedećeg mjeseca. Od više od 100 prijavljenih timova, samo je 26 nastavilo s prelaskom na VRC, a samo je 7 timova pristupilo cjelovitim testovima.
VRC -ovi su se odvijali u vrlo preciznom virtualnom prostoru licenciranom pod licencom Apache 2 od Open Source Foundation. Timovi su imali zadatak dovršiti tri od osam zadataka koji su za prve robote identificirani za prave robote.
Testiranje
Iako su roboti demonstrirani u VRC -u bili impresivni, kako bi se oni ponašali na poljskim testovima nije bilo 100% sigurno; 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 zapravo to nije bio slučaj, sav hardver je bio vrlo pouzdan. Prvih nekoliko timova, posebno prve tri, uspjeli su osvojiti više od polovice bodova i postigli su značajan napredak čak i kad smo namjerno ometali komunikacijski kanal."
Pratt je također bio impresioniran mogućnostima robota Atlas: "To je zaista nadmašilo naša očekivanja … Boston Dynamics obavio je izvrstan posao kako bi osigurao da niti jedan tim 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 hidrauličkog sustava robota. Proces modernizacije započeo je čak i prije događaja u prosincu 2013. Pratt je rekao da bi također želio povećati broj različitih instrumenata u finalu, a roboti će najvjerojatnije imati pojas s alatima iz kojih će morati odabrati potrebne alate i promijeniti ih tijekom izvođenja skripte.
Robota Atlas pohvalio je i Doug Stephen, istraživač i softverski inženjer na Floridskom institutu za ljudske i strojne kognitivne sposobnosti, čiji je tim na drugom mjestu na stazi B u pokusima. "Ovo je prilično 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 slomi."
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 dovršio barem jedan od timova. Utvrđeno je da su vožnja i spajanje rukava najteži zadaci. Prema Stephenu, prvi je bio najteži: “Rekao bih definitivno - zadatak vožnje autom, pa čak ni zbog same vožnje. Ako želite potpuno autonomnu vožnju, što je jako teško, uvijek imate operatora robota. Vožnja nije bila tako teška, ali izlazak iz automobila puno je teži nego što bi ljudi mogli zamisliti; to je kao rješavanje velike 3D zagonetke."
U skladu s formatom finala DRC -a, koje će se održati u prosincu 2014., svi će se zadaci kombinirati u jedan kontinuirani scenarij. To je sve kako bi se učinilo vjerodostojnijim i timu dalo strateški izbor kako ga 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 kabele, 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 morat će potpuno nestati, a 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 se sigurnosni sustavi također ukloniti 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 nečistoće s puta
Izazovi i strategije
Od osam timova tijekom testiranja, pet je koristilo robota ATLAS, međutim, sudionici staze A - pobjednik Team Schafta i treći pobjednik Team Tartan Rescue - koristili su svoj razvoj. Podrijetlom iz Nacionalnog centra za inženjering robotike Sveučilišta Carnegie Mellon (CMU), Tartan Rescue razvio je CMU visoko inteligentnu mobilnu platformu (CHIMP) za testiranje DRC -a. Tony Stentz iz Tartan Rescuea objasnio je obrazloženje tima za razvoj vlastitog sustava: "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 građevinski otpad i gaženju objekata koji se mogu kretati, postaje još teže. Stoga je ŠIMPANA statički stabilna, počiva na prilično širokoj podlozi i u uspravnom položaju kotrlja se na par gusjenica pod nogama pa 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; kad se treba kretati težim terenom 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 testova, a Institut za ljudske i strojne kognitivne sposobnosti usredotočio 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 tvrtka Boston Dynamics koje biste mogli koristiti za kretanje i koji su bili malo nerazvijeni. Ispostavilo se da je većina timova koristila ove ugrađene načine iz Boston Dynamics-a tijekom natjecanja Homestead, vrlo je malo timova napisalo 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 … Stoga, 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 pa doista nismo imali pristup na niskom nivou do ugrađenog računala. softver radi na vanjskom računalu, a zatim komunicira pomoću API-ja (Application Programming Interface) preko vlakana s ugrađenim računalom, pa dolazi do velikih kašnjenja i problema sa sinkronizacijom te postaje prilično teško kontrolirati tako složen sustav kao što je Atlas."
Iako je pisanje vlastitog koda od početka zasigurno bilo teže i dugotrajno za Institut za kognitivne sposobnosti ljudi i strojeva, Stephen vjeruje da je ovaj pristup isplativiji, jer kada se pojave problemi, oni se mogu riješiti brže nego oslanjati se na Boston Dynamics. Osim toga, popratni softver Atlas nije bio toliko napredan kao softver koji Boston Dynamics koristi u vlastitim demonstracijama „kad su poslali robota … sasvim otvoreno su rekli da pokreti nisu ono što vidite kad Boston Dynamics postavi video zapis robota na Youtube. radi na softveru ove tvrtke. Ovo je manje napredna verzija … ovo je dovoljno za obuku robota. Ne znam hoće li dati naredbe naredbama za korištenje, mislim da nisu očekivali da će svatko 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 spasilački tim 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 osmisliti dijelove, izraditi komponente, sve spojiti 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 paralelno počeli razvijati softver. Zapravo nismo imali punopravnog robota za rad, pa smo tijekom 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.
Osvrćući 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 omogućuju izgradnju potpune 3-D teksturne karte i modela okruženja robota; to je ono što koristimo sa strane operatora za upravljanje robotom i možemo zamisliti ovu situaciju u različitim rezolucijama ovisno o raspoloživom frekvencijskom pojasu i komunikacijskom kanalu. Možemo usredotočiti svoju pozornost i postići višu razlučivost u nekim područjima, a manju u drugim područjima. Imamo mogućnost daljinskog upravljanja robotom, ali preferiramo višu razinu kontrole kada definiramo ciljeve za robota, a ovaj način upravljanja otporniji je na gubitak signala i kašnjenja.”
Robot Schaft otvara vrata. Poboljšane mogućnosti rukovanja robotima bit će neophodne za buduće sustave
Sljedeći koraci
Stentz i Stephen kazali su kako njihovi timovi trenutno procjenjuju svoje sposobnosti na testovima u stvarnom svijetu kako bi procijenili koje radnje trebaju biti poduzete da bi se krenulo naprijed, te da čekaju reviziju DARPA-e i dodatne informacije o tome što će biti u finalu. Stephen je rekao da se također vesele dobiti neke izmjene za Atlas, napominjući 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 sustava 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 strojevi s fleksibilnijim mogućnostima manipulacije mogu biti korisni. Što se tiče softvera, vjerujem da je robotima potrebna veća razina autonomije kako bi mogli raditi bolje 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 natjecanja DARPA stvarno osmišljena tako da promiču 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 također vidim i mnoge mogućnosti za poboljšanje dok radim na tim strojevima. Mnogo zanimljivih stvari događa se u laboratorijima i na sveučilištima gdje možda nema jake kulture ovog procesa, pa ponekad rad ide nasumično. Također, gledajući zaista zanimljive projekte u pokusima DRC -a, shvaćate da postoji mnogo prostora za hardverska poboljšanja i inovacije."
Stephen je primijetio da je Atlas izvrstan primjer onoga što se može postići - funkcionirajući sustav razvijen u kratkom vremenu.
Za Pratta je, međutim, problem više definiran i smatra da bi poboljšanje softvera trebalo biti na prvom mjestu. “Ono što pokušavam shvatiti je da se većina softvera nalazi između ušiju. Mislim, što se događa u mozgu operatera, što se događa u mozgu robota i kako se njih dvoje slažu. Želimo se usredotočiti na hardver robota i još uvijek imamo problema s njim, na primjer, imamo problema s troškovima proizvodnje, energetskom učinkovitošću … Nesumnjivo je najteži dio softver; i to je programski kod za sučelje robot-čovjek i programski kod za same robote koji sami izvode zadatak, što uključuje percepciju i situacijsku svijest, svijest o onome što se događa u svijetu i izbore na temelju onoga što robot opaža."
Pratt vjeruje da je pronalaženje komercijalnih robotskih aplikacija ključno za razvoj naprednih sustava i napredak industrije. “Mislim da nam zaista trebaju komercijalne aplikacije osim upravljanja katastrofama i opće obrane. Istina je da su tržišta, obrana, odgovor u hitnim slučajevima i pomoć u katastrofama sićušni u usporedbi s komercijalnim tržištem."
“Volimo puno pričati o tome na DARPA -i, uzimajući za primjer mobitele. DARPA je financirala mnoge događaje koji su doveli do tehnologije koja se koristi u mobitelima … Da je ovo samo obrambeno tržište za koje su stanice bile namijenjene, koštale bi mnogo više nego sada, a to je zbog ogromno komercijalno tržište koje je omogućilo nevjerojatnu dostupnost mobitela …"
“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 sustave posebno za vojsku, u koje će se ulagati komercijalno."
Prvih osam timova sudjelovat će u ogledima u prosincu 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 -inog laboratorija za mlazni pogon ima neobičan dizajn
Virtualni element
DARPA -ina uključenost dvaju staza u DRC -ove probe, u kojima sudjeluju samo timovi za razvoj softvera, govori o želji uprave da otvori programe za što širi krug sudionika. Ranije su takvi programi razvoja tehnologije bili prerogativ obrambenih tvrtki i istraživačkih laboratorija. Međutim, stvaranje virtualnog prostora u kojem svaki tim može testirati svoj softver omogućio je natjecateljima koji su imali malo ili nimalo iskustva u razvoju softvera za robote da se natječu na istoj razini kao i poznate tvrtke u ovom području. DARPA također simulirani prostor promatra kao dugoročno naslijeđe DRC testiranja.
DARPA je 2012. 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 je opisano kao "fizički prihvatljive interakcije" između objekata.
Predsjednik Zaklade otvorenog koda Brian Goerkey rekao je da je Gazebo korišten zbog svojih dokazanih sposobnosti. „Ovaj se paket prilično široko koristi u robotskoj zajednici, zbog čega se DARPA htjela kladiti u njega, jer smo vidjeli njegove prednosti u onome što radi; mogli bismo oko nje izgraditi zajednicu programera i korisnika."
Dok je Gazebo već bio poznati sustav, 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 usredotočili na platforme na kotačima, a postoje neki aspekti modeliranja hodajućih robota koji su prilično različiti. Morate biti vrlo oprezni u pogledu načina na koji razrješavate kontakte i kako modelirate robota. Na ovaj način možete dobiti dobre parametre u zamjenu za točnost. Mnogo je truda uloženo u detaljnu simulaciju fizike robota, tako da možete dobiti simulacije dobre kvalitete, 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 ste uložili u to."
Simulirani Atlas robot ulazi u automobil tijekom faze virtualnog natjecanja DRK -a
Što se tiče simulacije robota Atlas za virtualni prostor, Görki je rekao da je Zaklada 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 govori koliko je duga ova noga, koliko je velika itd. Izazov za nas bio je ispravno i točno prilagoditi ovaj model kako bismo mogli postići kompromis u performansama u zamjenu za točnost. 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 puno posla potrebno malo promijeniti model, au nekim slučajevima i napisati vlastiti kod za simulaciju određenih dijelova sustava. Ovo nije samo simulacija jednostavne fizike, postoji razina ispod koje ne idemo."
Pratt je vrlo pozitivan u pogledu postignutog s VRC -om i simuliranim prostorom. “Učinili smo nešto što se dosad nije dogodilo, stvorili realnu simulaciju procesa s fizičkog gledišta koja se može izvoditi u stvarnom vremenu tako da operater može obaviti svoj interaktivni posao. Ovo vam zaista treba, budući da 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 točnosti modela i njegove stabilnosti … Vjerujem da smo puno postigli u virtualnom natjecanju."
Stephen je objasnio da se IHMC -ov Institut za kognitivne sposobnosti ljudi i strojeva suočio s različitim izazovima u razvoju softvera. “Koristili smo vlastito simulacijsko okruženje, koje smo integrirali s Gazebom u sklopu virtualnog natjecanja, ali velik dio našeg razvoja odvija se na našoj platformi pod nazivom Simulation Construction Set … upotrijebili 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 "doista impresivan skup alata koji je izrastao oko njega". Napomenuo je da pri kombiniranju Gazeba i vlastitog softvera „glavni problem je što svoj softver pišemo na Javi, a većina softvera za robote koristi C ili C ++, koji su vrlo dobri za ugrađene sustave. Ali želimo raditi u Javi onako kako želimo - kako bi naš kôd radio u određenom vremenskom okviru, jer je implementiran u C ili C ++, ali ga nitko 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 implementirati elemente 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 okruženju računalstva u oblaku) i razvijamo ga s namjerom da se izvodi na oblačnim poslužiteljima”, rekao je Görki.
Jedna od glavnih prednosti postojanja simuliranog okruženja otvorenog za javnu uporabu i rada s njim u oblaku je to što se proračuni na visokoj razini mogu izvoditi pomoću moćnijih sustava na poslužiteljima, čime se ljudima omogućuje korištenje lakih računala, pa čak i netbookova i tableta raditi na svom radnom mjestu. Görki također vjeruje da će ovaj pristup biti vrlo koristan u nastavi, kao i u dizajnu i razvoju proizvoda. "Moći ćete pristupiti ovom simulacijskom okruženju sa bilo kojeg mjesta u svijetu i isprobati svog novog robota u njemu."
