CHIMP udfører en af de vanskeligste opgaver - at prøve at fastgøre en brandslange til en brandhane
Robotics Challenge er vært for Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) og lover at revolutionere systemernes muligheder og hvordan de er designet. Lad os tage et kig på denne begivenhed og evaluere udtalelsen fra en række nøglespillere
Den 11. marts 2011 blev Japan ramt af et kraftigt jordskælv med et epicenter omkring 70 km ud for Honshu's østkyst. Som et resultat af et jordskælv i størrelsesorden 9 blev der dannet bølger, der nåede en højde på 40 meter og forplantede sig inde i landet i 10 km.
Atomkraftværket Fukushima I stod i vejen for den ødelæggende tsunami. Da kæmpebølger ramte stationen, blev reaktorerne ødelagt katastrofalt. Denne hændelse blev den værste atomtragedie siden ulykken ved atomkraftværket i Tjernobyl i 1986. Denne begivenhed dannede grundlaget for scenariet for måske et af de mest betydningsfulde robotprogrammer til dato - DRC (DARPA Robotics Challenge - praktiske tests af robotsystemer under programmet Advanced Research and Development Administration i det amerikanske forsvarsministerium).
DRC -forsøgene blev annonceret i april 2012, og katastrofehjælp blev valgt som scenarie for disse forsøg. Udviklingen af nye systemer skulle udføres inden for rammerne af dette scenario, hovedsageligt på grund af det faktum, at det var inkluderet i de 10 centrale missioner i det amerikanske forsvarsministerium, identificeret af Det Hvide Hus og forsvarsministeren i januar 2012. I december 2013 gik der inden for rammerne af disse konkurrencer en vigtig fase, da de første "fuldskala" test blev udført i Florida for første gang.
DRC'er adskiller sig på flere innovative måder, de kombinerer virtuelle og felttest, og de er åbne for finansierede og ikke-finansierede teams. Denne begivenhed består af fire såkaldte sektioner eller spor; DARPA ydede økonomisk støtte til to spor Track A og Track B og åbnede disse konkurrencer for alle nyankomne.
Af de fire spor modtog to (spor A og spor B) finansiering. Efter en generel bekendtgørelse og ansøgning indsendte DARPA syv teams til spor A til at udvikle ny hardware og software; i spor B udviklede 11 teams kun software.
Spor C er ikke finansieret og er åbent for nye medlemmer fra hele verden; Ligesom deltagerne i spor B, brugte deltagerne primært et virtuelt robotsimuleringsprogram til at teste deres software. Spor D er beregnet til udenlandske bidragydere, der ønsker at udvikle hardware og software, men uden DARPA -finansiering på noget tidspunkt.
Nøglen til den innovative DRC -tilgang er komponenten VRC (Virtual Robotics Challenge). De toprangerede hold - uanset om de er fra spor B eller C - vil modtage finansiering fra DARPA samt Atlas -robotten fra Boston Dynamics, som de vil deltage i felttest med.
I maj 2013 ansøgte hold fra spor B og spor C om at kvalificere sig til VRC, som blev afholdt den følgende måned. Af mere end 100 registrerede hold fortsatte kun 26 med at flytte til VRC, og kun 7 hold nærmede sig tests i fuld skala.
VRC'erne fandt sted i et meget præcist virtuelt rum licenseret under Apache 2 -licensen fra Open Source Foundation. Holdene fik til opgave at udføre tre af de otte opgaver, der blev identificeret for rigtige robotter i de første felttest.
Test
Selvom robotterne demonstrerede i VRC var imponerende, var det ikke 100% sikkert, hvordan de ville opføre sig i felttest; dog sagde Jill Pratt, programdirektør for DRC -konkurrencen, at han var meget tilfreds med deres evner.”Vi forventede, at da dette var den første fysiske del af testen, kunne vi se mange hardware -nedbrud, men faktisk var det ikke tilfældet, alt hardware var meget pålideligt. De første par hold, især de første tre, formåede at få mere end halvdelen af pointene og gjorde betydelige fremskridt, selvom vi bevidst forstyrrede kommunikationskanalen."
Pratt var også imponeret over Atlas -robotens muligheder: "Det overgik virkelig vores forventninger … Boston Dynamics har udført eksemplarisk arbejde for at sikre, at ingen af holdene bliver skadet af nogen form for hardwarefejl."
Der er dog stadig plads til forbedringer, såsom manipulatorarme med begrænset arbejdsområde og lækager fra robotens hydrauliske system. Moderniseringsprocessen begyndte allerede før begivenheden i december 2013. Pratt sagde, at han også gerne ville øge antallet af forskellige instrumenter i finalen, og robotterne vil sandsynligvis have et bælte med værktøjer, hvorfra de skal vælge de nødvendige værktøjer og ændre dem under scriptudførelsen.
Atlas -robotten blev også rost af Doug Stephen, en forsker og softwareingeniør ved Florida Institute for Human and Machine Cognitive Abilities, hvis team blev nummer to på spor B i feltforsøg. "Dette er en ganske vidunderlig robot … vi har arbejdet med det 200 timers ren tid på to eller tre måneder, og det er meget usædvanligt for en eksperimentel platform - evnen til at arbejde støt og ikke gå i stykker."
Der er bogstaveligt talt heroiske bestræbelser bag DRC's imponerende robotmuligheder; opgaver er designet til at være særligt udfordrende og udfordre hardware og software udviklet af teams.
Selvom opgaverne var vanskelige, synes Pratt ikke, at DARPA satte overliggeren for højt og bemærkede, at hver opgave blev udført af mindst et af holdene. At køre og slutte ærmerne viste sig at være de sværeste opgaver. Ifølge Stephen var den første den sværeste:”Jeg vil bestemt sige - opgaven med at køre bil, og ikke engang på grund af selve kørslen. Hvis du vil have helt autonom kørsel, hvilket er meget svært, så har du altid en robotoperatør. Kørsel var ikke så svært, men at komme ud af bilen er meget vanskeligere, end folk måske forestiller sig; det er som at løse et stort 3D -puslespil."
I overensstemmelse med formatet for DRC -finalen, der skal afleveres i december 2014, vil alle opgaver blive kombineret til et kontinuerligt scenario. Dette er alt for at gøre det mere troværdigt og give teams strategiske valg om, hvordan det skal udføres. Vanskeligheden vil også stige, og Pratt tilføjede:”Vores udfordring for hold, der har klaret sig godt på Homestead, er at gøre det endnu sværere. Vi kommer til at fjerne de bundne kabler, fjerne kommunikationskablerne og erstatte dem med en trådløs kanal, mens vi vil forringe kvaliteten af forbindelsen, så den er endnu værre end i tidligere tests."
”Min plan i øjeblikket er at gøre forbindelsen intermitterende, til tider skal den helt forsvinde, og jeg mener, at dette skal gøres i en tilfældig rækkefølge, som det sker i virkelige katastrofer. Lad os se, hvad robotter kan, arbejde i et par sekunder eller måske op til et minut og prøve at udføre nogle delopgaver på egen hånd, selvom de ikke er helt afskåret fra operatørens kontrol, og jeg tror, det vil være en meget interessant syn."
Pratt sagde, at sikkerhedssystemerne også vil blive fjernet i finalen. "Det betyder, at robotten bliver nødt til at modstå faldet, det betyder også, at den skal klatre på egen hånd, og det bliver faktisk ret svært."
Skaftrobot fjerner affald fra sin vej
Udfordringer og strategier
Af de otte hold under testene brugte fem ATLAS -robotten, men deltagerne i spor A - vinderen af Team Schaft og den tredje vinder af Team Tartan Rescue - brugte deres udvikling. Oprindeligt fra Carnegie Mellon Universitys (CMU) National Robotics Engineering Center, har Tartan Rescue udviklet CMU Highly Intelligent Mobile Platform (CHIMP) til DRC -test. Tony Stentz fra Tartan Rescue forklarede holdets begrundelse for at udvikle deres eget system: "Det kan være mere sikkert at bruge en humanoid robot på hylden, men vi vidste, at vi kunne skabe et bedre design til katastrofeberedskab."
”Vi vidste, at vi var nødt til at skabe noget groft menneskeligt, men vi kunne ikke lide behovet for humanoide robotter for at bevare balancen, mens vi bevæger os rundt. Når tobenede robotter bevæger sig, skal de holde balancen for ikke at falde, og det er ret svært på en flad overflade, men når man taler om at bevæge sig gennem byggeaffald og træde på genstande, der kan bevæge sig, bliver det endnu vanskeligere. Derfor er CHIMPEN statisk stabil, den hviler på en temmelig bred bund og i opretstående stilling ruller den på et par spor ved fødderne, så den kan gå frem og tilbage og vende på plads. Det kan placeres let nok til at holde dine hænder frem til at bære alt, hvad du har brug for på opgaven; når han skal bevæge sig i vanskeligere terræn, kan han falde på alle fire lemmer, da han også har larvepropeller på hænderne.
Uundgåeligt stod teams fra forskellige spor over for forskellige udfordringer i forberedelserne til testene, Institute for Human and Machine Cognitive Abilities fokuserede på softwareudvikling, fordi dette er det sværeste problem - overgangen fra VRC til feltproblemer. Stephen sagde, at "da Atlas -robotten blev leveret til os, havde den to 'modes', som du kunne bruge. Den første er et enkelt sæt bevægelser leveret af Boston Dynamics, som du kunne bruge til bevægelse, og som har været lidt underudviklet. Det viste sig, at de fleste hold brugte disse indbyggede tilstande fra Boston Dynamics under Homestead-konkurrencen, meget få teams skrev deres egen robotstyringssoftware, og ingen skrev deres egen software til hele robotten …"
"Vi skrev vores egen software fra bunden, og det var en helkropscontroller, det vil sige, det var en controller, der arbejdede i alle opgaver, vi skiftede aldrig til andre programmer eller til en anden controller … Derfor en af de sværeste opgaver var at oprette programkoden og køre den på Atlas, da det var lidt af en sort boks, da Boston Dynamics præsenterede den for os, men det er deres robot og deres IP, så vi virkelig ikke havde lavt adgang til den indbyggede computer Vores software kører på en ekstern computer og kommunikerer derefter med at bruge en API (Application Programming Interface) over fiber med en indbygget computer, så der er store forsinkelser og problemer med synkronisering, og det bliver ret svært at styre et så komplekst system som Atlas."
Selvom det helt sikkert var vanskeligere og tidskrævende at skrive din egen kode fra bunden for Institute for Human and Machine Cognitive Abilities, mener Stephen, at denne tilgang er mere rentabel, da problemer kan løses hurtigere end at stole på Boston Dynamics, når der opstår problemer. Derudover var Atlas -ledsager -softwaren ikke så avanceret som den software, Boston Dynamics bruger i sine egne demoer “da de sendte robotten … sagde de helt åbent, at bevægelserne ikke er, hvad man ser, når Boston Dynamics uploader en video af robotten til Youtube. arbejder på softwaren i dette firma. Dette er en mindre avanceret version … dette er nok til at træne robotten. Jeg ved ikke, om de skulle give koden til de kommandoer, de skulle bruge, jeg tror ikke, de forventede, at alle skulle skrive deres egen software. Det vil sige, at det, der blev leveret sammen med robotten, er muligt lige fra begyndelsen og ikke var beregnet til at fuldføre alle otte opgaver i DRC's praktiske test."
Den største udfordring for Tartan Rescue -teamet var den stramme tidsplan, de skulle følge, når de udviklede den nye platform og tilhørende software.”For femten måneder siden var CHIMP bare et koncept, en tegning på papir, så vi skulle designe delene, lave komponenterne, sætte det hele sammen og teste det hele. Vi vidste, at det ville tage det meste af vores tid, vi kunne ikke vente og begynde at skrive software, indtil robotten var klar, så vi begyndte at udvikle software parallelt. Vi havde faktisk ikke en fuldgyldig robot at arbejde med, så vi brugte simulatorer og hardwareerstatninger under udviklingen. For eksempel havde vi en separat manipulatorarm, som vi kunne bruge til at kontrollere bestemte ting for et enkelt lem,”forklarede Stentz.
Med henvisning til de komplikationer, der vil øge forringelsen af datatransmissionskanaler, bemærkede Stentz, at denne beslutning blev taget helt fra begyndelsen specifikt til sådanne situationer, og at det ikke er et meget vanskeligt problem. “Vi har sensorer monteret på robotens hoved-laserafstandsmålere og kameraer-så vi kan bygge et komplet 3D-teksturkort og en model af robotens miljø; det er det, vi bruger fra operatørsiden til at styre robotten, og vi kan forestille os denne situation i forskellige opløsninger afhængigt af det tilgængelige frekvensbånd og kommunikationskanal. Vi kan fokusere vores opmærksomhed og få en højere opløsning på nogle områder og en lavere opløsning på andre områder. Vi har muligheden for at fjernbetjene robotten direkte, men vi foretrækker et højere kontrolniveau, når vi definerer mål for robotten, og denne kontroltilstand er mere modstandsdygtig over for signaltab og forsinkelser.”
Schaft -robotten åbner døren. Forbedrede robothåndteringsmuligheder vil være et must for fremtidige systemer
Næste skridt
Stentz og Stephen sagde, at deres hold i øjeblikket evaluerer deres evner i virkelige tests for at vurdere, hvilke handlinger der skal træffes for at komme videre, og at de afventer en DARPA-gennemgang og yderligere oplysninger om, hvad der vil være i finalen. Stephen sagde, at de også ser frem til at modtage nogle ændringer til Atlas og noterer sig et allerede godkendt krav til finalen - brugen af en indbygget strømforsyning. For CHIMP er dette ikke et problem, da robotten med elektriske drev allerede kan bære sine egne batterier.
Stentz og Stephen var enige om, at der er en række udfordringer, der skal løses i udviklingen af robotsystemrummet og oprettelse af platformtyper, der kan bruges i katastrofehjælpsscenarier.”Jeg vil sige, at der ikke er én ting i verden, der kan være et universalmiddel. Hvad angår hardware, tror jeg, at maskiner med mere fleksible manipulationsevner kan være nyttige. Hvad angår software, mener jeg, at robotter har brug for et større autonomi, så de kan klare sig bedre uden en kommunikationskanal i fjernoperationer; de kan udføre opgaver hurtigere, fordi de gør meget selv og træffer flere beslutninger pr. tidsenhed. Jeg tror, at den gode nyhed er, at DARPA -konkurrencer virkelig er designet til at promovere både hardware og software,”sagde Stentz.
Stephen mener, at forbedringer i teknologiudviklingsprocesser også er nødvendige.”Som programmerer ser jeg mange måder at forbedre software på, og jeg ser også mange forbedringsmuligheder, når jeg arbejder på disse maskiner. Der sker mange interessante ting i laboratorier og universiteter, hvor der måske ikke er en stærk kultur i denne proces, så nogle gange går arbejdet tilfældigt. Når man ser på de virkelig interessante projekter i DRC -forsøgene, indser man, at der er meget plads til hardwareforbedringer og innovation."
Stephen bemærkede, at Atlas er et godt eksempel på, hvad der kan opnås - et brugbart system udviklet på kort tid.
For Pratt er problemet imidlertid mere defineret, og han mener, at softwareforbedring bør komme først.”Det punkt, jeg forsøger at få frem, er, at hovedparten af softwaren er mellem ørerne. Jeg mener, hvad der foregår i operatørens hjerne, hvad der foregår i robotens hjerne, og hvordan de to er enige med hinanden. Vi vil fokusere på robotens hardware, og vi har stadig problemer med det, for eksempel har vi problemer med produktionsomkostninger, energieffektivitet … Uden tvivl er den sværeste del softwaren; og det er programmeringskoden for robot-menneske-grænsefladen og programmeringskoden for robotterne selv til at udføre opgaven på egen hånd, som omfatter opfattelse og situationsfornemmelse, bevidsthed om, hvad der sker i verden og valg baseret på, hvad robotten opfatter."
Pratt mener at finde kommercielle robotapplikationer er nøglen til at udvikle avancerede systemer og flytte branchen fremad.”Jeg tror, vi virkelig har brug for kommercielle applikationer ud over katastrofehåndtering og generelt forsvar. Sandheden er, at markederne, forsvaret, nødberedskab og katastrofehjælp er små i forhold til det kommercielle marked."
“Vi kan lide at tale meget om det her på DARPA, idet vi tager mobiltelefoner som et eksempel. DARPA har finansieret mange af de udviklinger, der førte til den teknologi, der blev brugt i mobiltelefoner … Hvis dette kun var det forsvarsmarked, som cellerne var beregnet til, ville de koste mange størrelsesordener mere end nu, og det skyldes kæmpe kommercielle marked, der har gjort det muligt at opnå utrolig tilgængelighed af mobiltelefoner …"
”Inden for robotik er vores opfattelse, at vi har brug for præcis denne rækkefølge af begivenheder. Vi skal se den kommercielle verden købe applikationer, der får priserne til at falde, og så kan vi oprette systemer specifikt til militæret, hvor der kommer kommercielle investeringer."
De første otte hold deltager i forsøgene i december 2014 - Team Schaft, IHMC Robotics, Tartan Rescue, Team MIT, Robosimian, Team TRAClabs, WRECS og Team Trooper. Hver vil modtage $ 1 million for at forbedre deres løsninger, og i sidste ende vil det vindende hold modtage en præmie på $ 2 millioner, selvom anerkendelse for de fleste er meget mere værdifuld end penge.
Robosimian fra NASAs Jet Propulsion Laboratory har et usædvanligt design
Virtuelt element
DARPA's inddragelse af to spor i DRC -forsøg, hvor kun softwareudviklingsteam deltager, taler om ledelsens ønske om at åbne programmer for den bredest mulige kreds af deltagere. Tidligere var sådanne teknologiudviklingsprogrammer prærogativ for forsvarsselskaber og forskningslaboratorier. Men oprettelsen af et virtuelt rum, hvor hvert hold kan teste deres software, tillod konkurrenter, der havde ringe eller ingen erfaring med at udvikle software til robotter, at konkurrere på samme niveau som kendte virksomheder på dette område. DARPA ser også det simulerede rum som en langsigtet arv fra DRC-test.
I 2012 bestilte DARPA Open Source Foundation at udvikle et virtuelt rum til udfordringen, og organisationen gik i gang med at oprette en åben model ved hjælp af Gazebo -software. Gazebo er i stand til at simulere robotter, sensorer og objekter i en 3D -verden og er designet til at levere realistiske sensordata og det, der beskrives som "fysisk sandsynlige interaktioner" mellem objekter.
Open Source Foundation -formand Brian Goerkey sagde, at Gazebo blev brugt på grund af dets dokumenterede evner. “Denne pakke er ret udbredt i robotsamfundet, hvorfor DARPA ønskede at satse på den, fordi vi så fordelene ved den, den gør; vi kunne opbygge et fællesskab af udviklere og brugere omkring det."
Mens Gazebo allerede var et velkendt system, bemærkede Gorky, at mens der stadig var plads til at stræbe efter, bør der tages skridt til at opfylde de krav, der er identificeret af DARPA.”Vi har gjort meget lidt for at modellere gangrobotter, vi fokuserede hovedsageligt på platforme på hjul, og der er nogle aspekter ved modellering af gangrobotter, der er ganske forskellige. Du skal være meget forsigtig med, hvordan du laver kontaktopløsning, og hvordan du modellerer robotten. På denne måde kan du få gode parametre i bytte for nøjagtighed. Der er gået meget kræfter i detaljeret simulering af robotens fysik, så du kan få simuleringer af god kvalitet og også få robotten til at fungere i næsten realtid, i modsætning til at arbejde i en tiendedel eller en hundrededel af realtid, hvilket sandsynligvis er, hvis ikke for al den indsats, du lægger i det."
En simuleret Atlas -robot sætter sig ind i en bil under den virtuelle konkurrencestadie i DRC
Med hensyn til simulering af Atlas -robotten til virtuelt rum sagde Görki, at fonden måtte starte med et grundlæggende datasæt. “Vi startede med en model leveret af Boston Dynamics, vi startede ikke med detaljerede CAD -modeller, vi havde en forenklet kinematisk model, der blev leveret til os. Grundlæggende en tekstfil, der siger, hvor langt dette ben er, hvor stort det er osv. Udfordringen for os var at justere denne model korrekt og præcist, så vi kunne opnå et kompromis i ydelsen i bytte for nøjagtighed. Hvis du modellerer det på en forenklet måde, kan du indføre nogle unøjagtigheder i den underliggende fysikmotor, hvilket vil gøre det ustabilt i visse situationer. Derfor er meget arbejde at ændre modellen lidt og i nogle tilfælde skrive din egen kode for at simulere bestemte dele af systemet. Dette er ikke kun en simulering af simpel fysik, der er et niveau, som vi ikke vil gå under."
Pratt er meget positiv over for, hvad der er opnået med VRC og simuleret plads.”Vi har gjort noget, der ikke er sket før, skabt en realistisk processimulering ud fra et fysisk synspunkt, der kan køres i realtid, så operatøren kan udføre deres interaktive arbejde. Du har virkelig brug for dette, da vi taler om en person og en robot som et team, så simuleringen af en robot skal fungere i samme tidsramme som en person, hvilket betyder i realtid. Her er der til gengæld brug for et kompromis mellem nøjagtigheden af modellen og dens stabilitet … Jeg mener, at vi har opnået meget i den virtuelle konkurrence."
Stephen forklarede, at IHMC's Institute for Human and Machine Cognitive Ababilities stod over for forskellige udfordringer inden for softwareudvikling.”Vi brugte vores eget simuleringsmiljø, som vi integrerede med Gazebo som en del af en virtuel konkurrence, men meget af vores udvikling sker på vores platform kaldet Simulation Construction Set … vi brugte vores software, da vi lancerede en rigtig robot, Vi lavede en masse modellering og denne ene af vores hjørnesten, vi ser frem til en masse god softwareudviklingsoplevelse."
Stephen sagde, at Java -programmeringssproget foretrækkes på IHMC, fordi det har "en virkelig imponerende værktøjskasse, der er vokset op omkring det." Han bemærkede, at når han kombinerer Gazebo og hans egen software, "er hovedproblemet, at vi skriver vores software i Java, og det meste af softwaren til robotter bruger C eller C ++, som er meget gode til integrerede systemer. Men vi vil gerne arbejde i Java, som vi vil - for at få vores kode til at fungere inden for en bestemt tidsramme, som den er implementeret i C eller C ++, men ingen andre bruger den. Det er et stort problem at få alle Gazebo -programmer til at arbejde med vores Java -kode.”
DARPA og Open Source Foundation fortsætter med at udvikle og forbedre simulering og virtuelt rum.”Vi begynder at implementere elementer, der vil gøre simulatoren mere nyttig i et andet miljø uden for redningsstedet. For eksempel tager vi den software, vi brugte i konkurrencen (kaldet CloudSim, fordi den simulerer i cloud computing -miljøet), og vi udvikler den med den hensigt at køre på cloud -servere,”sagde Görki.
En af de største fordele ved at have et simuleret miljø åbent til offentlig brug og arbejde med det i skyen er, at beregninger på højt niveau kan udføres af mere kraftfulde systemer på servere, hvorved folk kan bruge deres lette computere og endda netbooks og tablets. at arbejde på din arbejdsplads. Görki mener også, at denne tilgang vil være meget nyttig til undervisning såvel som til produktdesign og udvikling. "Du vil have adgang til dette simuleringsmiljø fra hvor som helst i verden og prøve din nye robot i det."
