CHIMP realitza una de les tasques més difícils: intentar fixar una mànega contra incendis a una boca d’hidratació
Allotjat per la Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA), el Robotics Challenge promet revolucionar les capacitats dels sistemes i el seu disseny. Fem una ullada a aquest esdeveniment i avaluem l'opinió de diversos actors clau
L'11 de març de 2011, Japó va ser afectat per un poderós terratrèmol amb un epicentre a uns 70 km de la costa est de Honshu. Com a resultat d’un terratrèmol de magnitud 9, es van formar ones que van arribar a una alçada de 40 metres i es van propagar cap a l’interior durant 10 km.
La central nuclear Fukushima I va impedir el devastador tsunami: quan les ones gegants van arribar a l'estació, els reactors van ser destruïts catastròficament. Aquest incident es va convertir en la pitjor tragèdia nuclear des de l'accident de la central nuclear de Txernòbil el 1986. Aquest esdeveniment va constituir la base de l’escenari d’un dels programes de robòtica més significatius fins ara: DRC (DARPA Robotics Challenge - proves pràctiques de sistemes robòtics del programa Advanced Research and Development Administration del Departament de Defensa dels EUA).
Els assajos a la RDC es van anunciar a l'abril del 2012 i es va escollir la protecció contra desastres com a escenari per a aquests assajos. El desenvolupament de nous sistemes s’havia de dur a terme en el marc d’aquest escenari, principalment pel fet que s’incloïa a les deu missions clau del Departament de Defensa dels EUA, identificades per la Casa Blanca i el secretari de Defensa al gener 2012. El desembre del 2013, en el marc d’aquestes competicions, va passar una etapa important, quan es van dur a terme per primera vegada a Florida les primeres proves “a gran escala”.
Els DRC difereixen de diverses maneres innovadores, combinen proves virtuals i de camp i estan oberts a equips finançats i no finançats. Aquest esdeveniment consta de quatre anomenades seccions o pistes; DARPA va proporcionar suport financer per a dues pistes, la pista A i la pista B, i va obrir aquestes competicions a tots els nouvinguts.
De les quatre pistes, dues (pista A i pista B) van rebre finançament. Després d'un anunci general i presentació de sol·licituds, DARPA va seleccionar set equips per a la pista A per desenvolupar nou maquinari i programari; a la pista B, 11 equips només van desenvolupar programari.
La pista C no està finançada i està oberta a nous membres de tot el món; Igual que els participants a la pista B, els participants van utilitzar principalment un programa de simulació de robots virtuals per provar el seu programari. La pista D està pensada per a col·laboradors estrangers que vulguin desenvolupar maquinari i programari, però sense finançament DARPA en cap moment.
La clau de l’innovador enfocament DRC és el component VRC (Virtual Robotics Challenge). Els equips més ben classificats, ja siguin de la pista B o C, rebran finançament de DARPA, així com el robot Atlas de Boston Dynamics, amb el qual participaran en proves de camp.
Al maig de 2013, els equips de la pista B i la pista C van sol·licitar la classificació per a VRC, que es va celebrar el mes següent. De més de 100 equips inscrits, només 26 van continuar mudant-se a VRC i només 7 equips es van apropar a proves a gran escala.
Els VRC van tenir lloc en un espai virtual d’alta precisió amb llicència sota la llicència Apache 2 de la Open Source Foundation. Els equips van rebre l'encàrrec de completar tres de les vuit tasques identificades per a robots reals en les primeres proves de camp.
Proves
Tot i que els robots demostrats a VRC eren impressionants, el comportament en les proves de camp no era cert al 100%; no obstant això, Jill Pratt, directora de programa de la DRC Competition, va dir que estava molt satisfet de les seves capacitats. “Esperàvem que, ja que aquesta era la primera part física de la prova, podríem veure moltes fallades del maquinari, però de fet no era així, tot el maquinari era molt fiable. Els primers equips, especialment els tres primers, van aconseguir obtenir més de la meitat dels punts i van avançar significativament fins i tot quan vam interferir deliberadament amb el canal de comunicació.
Pratt també va quedar impressionat amb les capacitats del robot Atlas, "Realment va superar les nostres expectatives … Boston Dynamics ha fet un treball exemplar per assegurar que cap dels equips es vegi perjudicat per cap tipus de fallada de maquinari".
No obstant això, encara hi ha marge per millorar, com ara braços manipuladors amb poc espai de treball i fuites del sistema hidràulic del robot. El procés de modernització va començar fins i tot abans de l’esdeveniment, al desembre de 2013. Pratt va dir que també li agradaria augmentar el nombre d’instruments diferents a la final i que és probable que els robots tinguin un cinturó amb eines d’on hauran de seleccionar les eines necessàries i canviar-les durant l’execució del guió.
El robot Atlas també va ser elogiat per Doug Stephen, investigador i enginyer de programari de l’Institut de Florida per a habilitats cognitives de màquines i humans, l’equip del qual va quedar segon a la pista B en proves de camp. "Aquest és un robot bastant meravellós … hem treballat amb ell 200 hores de temps net en dos o tres mesos i això és molt inusual per a una plataforma experimental: la capacitat de treballar constantment i no trencar-se".
Hi ha literalment esforços heroics darrere de les impressionants capacitats robòtiques de la RDC; les tasques estan dissenyades per ser particularment desafiadores i desafiar el maquinari i el programari desenvolupats pels equips.
Tot i que les tasques eren difícils, Pratt no creu que DARPA posés el llistó massa alt, i va assenyalar que almenys un dels equips va completar cada tasca. Conduir i unir-se a les mànigues va ser la tasca més difícil. Segons Stephen, el primer va ser el més difícil: “Diria definitivament: la tasca de conduir un cotxe, ni tan sols per la conducció en si. Si voleu una conducció totalment autònoma, que és molt difícil, sempre teniu un operador de robots. Conduir no era tan difícil, però sortir del cotxe és molt més difícil del que la gent es podria imaginar; és com resoldre un gran trencaclosques en 3D.
D'acord amb el format de les finals de la RDC, previstes al desembre de 2014, totes les tasques es combinaran en un escenari continu. Tot això per fer-lo més creïble i donar als equips opcions estratègiques sobre com executar-lo. La dificultat també augmentarà i Pratt va afegir: “El nostre repte per als equips que ho han fet molt bé a Homestead és fer-ho encara més difícil. Eliminarem els cables connectats, eliminarem els cables de comunicació i els substituirem per un canal sense fils, mentre que degradarem la qualitat de la connexió perquè sigui encara pitjor que en proves anteriors.
"El meu pla en aquest moment és fer que la connexió sigui intermitent, de vegades haurà de desaparèixer completament i crec que s'hauria de fer en un ordre aleatori, tal com passa en desastres reals. Vegem què poden fer els robots, treballant durant uns segons, o potser fins a un minut, intentant realitzar algunes tasques soles, encara que no estiguin completament separades del control de l’operador i crec que serà una cosa molt interessant vista ".
Pratt va dir que els sistemes de seguretat també s'eliminaran a la final. "Això significa que el robot haurà de suportar la caiguda, també vol dir que ha de pujar pel seu compte i serà realment bastant difícil".
El robot Schaft elimina les restes del seu camí
Reptes i estratègies
Dels vuit equips durant les proves, cinc van utilitzar el robot ATLAS, però, els participants a la pista A –el guanyador del Team Schaft i el tercer guanyador del Team Tartan Rescue– van utilitzar els seus desenvolupaments. Originari del Centre Nacional d’Enginyeria de Robòtica de la Universitat Carnegie Mellon (CMU), Tartan Rescue ha desenvolupat la plataforma mòbil altament intel·ligent CMU (CHIMP) per a proves de DRC. Tony Stentz, de Tartan Rescue, va explicar la justificació de l'equip per desenvolupar el seu propi sistema: "Pot ser que sigui més segur utilitzar un robot humanoide a la venda, però sabíem que podríem crear un millor disseny per a la resposta al desastre".
“Sabíem que havíem de crear quelcom aproximadament humà, però no ens agradava la necessitat que els robots humanoides mantinguessin l’equilibri mentre es movien. Quan els robots bípedes es mouen, han de mantenir l’equilibri per no caure, i això és bastant difícil en una superfície plana, però quan es parla de moure’s entre restes de construcció i trepitjar objectes que es poden moure, es fa encara més difícil. Per tant, el CHIMP és estàticament estable, descansa sobre una base bastant ampla i en posició vertical roda sobre un parell de pistes als seus peus, de manera que pot anar endavant i endarrere i girar al seu lloc. Es pot col·locar prou fàcilment com per estendre les mans per portar tot el que necessiteu en la tasca; quan necessita moure's per terrenys més difícils, pot caure sobre les quatre extremitats, ja que també té hèlixs d'eruga a les mans.
Inevitablement, equips de diferents pistes es van enfrontar a diferents reptes en la preparació de les proves, l’Institut per a habilitats cognitives de màquines i humans es va centrar en el desenvolupament de programari, perquè aquest és el problema més difícil: la transició de VRC a problemes de camp. Stephen va dir que "quan se'ns va lliurar el robot Atlas, tenia dos" modes "que podríeu utilitzar. El primer és un conjunt senzill de moviments proporcionats per Boston Dynamics que podeu utilitzar per al moviment i que ha estat lleugerament poc desenvolupat. Va resultar que la majoria dels equips van utilitzar aquests modes integrats de Boston Dynamics durant la competició Homestead, molt pocs equips van escriure el seu propi programari de control de robots i ningú va escriure el seu propi programari per a tot el robot …"
"Vam escriure el nostre propi programari des de zero i era un controlador de tot el cos, és a dir, era un controlador que funcionava en totes les tasques, mai vam canviar a altres programes ni a un altre controlador … Per tant, una de les tasques més difícils era crear el codi del programa i executar-lo a Atlas, ja que era una caixa negra quan Boston Dynamics ens el va presentar, però és el seu robot i la seva IP, de manera que realment no teníem accés de baix nivell a l’ordinador incorporat. el programari s’executa en un ordinador extern i es comunica amb l’API (Application Programming Interface) mitjançant fibra amb un ordinador de bord, de manera que hi ha grans retards i problemes de sincronització i es fa força difícil controlar un sistema tan complex com Atlas."
Tot i que escriure el vostre propi codi des de zero era certament més difícil i que requeria temps per a l’Institut per a habilitats cognitives de màquines i humans, Stephen creu que aquest enfocament és més rendible, ja que, quan sorgeixen problemes, es poden resoldre més ràpidament que confiar en Boston Dynamics. A més, el programari complementari d’Atlas no era tan avançat com el que fa servir Boston Dynamics a les seves pròpies demostracions “quan van enviar el robot … van dir amb tota obertesa que els moviments no són els que es veuen quan Boston Dynamics penja un vídeo de el robot a Youtube treballant en el programari d’aquesta empresa. Aquesta és una versió menys avançada … això és suficient per entrenar el robot. No sé si donarien el codi a les ordres a utilitzar, crec que no esperaven que tothom escrivís el seu propi programari. És a dir, el que es va lliurar juntament amb el robot és possible des del principi i no estava pensat per completar les vuit tasques de les proves pràctiques de la RDC.
El repte més gran per a l’equip de Tartan Rescue va ser el rigorós calendari al qual havien de complir-se a l’hora de desenvolupar la nova plataforma i el programari relacionat. “Fa quinze mesos, CHIMP era només un concepte, un dibuix sobre paper, de manera que vam haver de dissenyar les peces, fer els components, ajuntar-ho tot i provar-ho tot. Sabíem que trigaria la major part del nostre temps, no podíem esperar i començar a escriure programari fins que el robot estigués llest, de manera que vam començar a desenvolupar programari en paral·lel. En realitat, no teníem un robot de ple dret amb el qual treballar, de manera que vam utilitzar simuladors i substituts de maquinari durant el desenvolupament. Per exemple, teníem un braç de manipulador separat que podríem utilitzar per comprovar certes coses per a una sola extremitat , va explicar Stentz.
En referència a les complicacions que s’afegiran a la degradació dels canals de transmissió de dades, Stentz va assenyalar que aquesta decisió es va prendre des del principi específicament per a situacions d’aquest tipus i que no és un problema molt difícil. “Tenim sensors muntats al cap del robot (telèmetres làser i càmeres) que ens permeten construir un mapa complet de textures en 3D i un model de l’entorn del robot; això és el que fem servir des del costat de l’operador per controlar el robot i podem imaginar aquesta situació en diferents resolucions en funció de la banda de freqüència i del canal de comunicació disponibles. Podem centrar la nostra atenció i obtenir una resolució més alta en algunes àrees i una resolució més baixa en altres àrees. Tenim la possibilitat de controlar el robot directament de forma remota, però preferim un nivell de control més alt quan definim objectius per al robot i aquest mode de control és més resistent a la pèrdua de senyal i als retards."
El robot Schaft obre la porta. La millora de les capacitats de manipulació robòtica serà imprescindible per als futurs sistemes
Propers passos
Stentz i Stephen van dir que els seus equips actualment estan avaluant les seves capacitats en proves del món real per avaluar quines accions cal prendre per avançar i que estan esperant una revisió del DARPA i informació addicional sobre què hi haurà a les finals. Stephen va dir que també esperen rebre alguna modificació per a l'Atlas, tot assenyalant un requisit ja aprovat per a les finals: l'ús d'una font d'alimentació a bord. Per a CHIMP, això no és un problema, ja que el robot amb accionaments elèctrics ja pot portar les seves pròpies bateries.
Stentz i Stephen van coincidir que hi ha una sèrie de reptes que cal abordar en el desenvolupament de l’espai de sistemes robòtics i en la creació de tipus de plataformes que es puguin utilitzar en escenaris d’alleujament de desastres. “Diria que no hi ha res al món que pugui ser una panacea. En termes de maquinari, crec que les màquines amb capacitats de manipulació més flexibles poden ser útils. Pel que fa al programari, crec que els robots necessiten un major nivell d’autonomia perquè puguin funcionar millor sense un canal de comunicació en operacions remotes; poden completar les tasques més ràpidament perquè fan moltes coses per si mateixos i prenen més decisions per unitat de temps. Crec que la bona notícia és que les competicions DARPA estan realment dissenyades per promocionar tant el maquinari com el programari , va dir Stentz.
Stephen creu que també calen millores en els processos de desenvolupament tecnològic. “Com a programador, veig moltes maneres de millorar el programari i també veig moltes oportunitats de millora mentre treballo en aquestes màquines. Moltes coses interessants passen als laboratoris i a les universitats on és possible que no hi hagi una cultura forta d’aquest procés, de manera que de vegades el treball es fa atzarós. A més, veient els projectes realment interessants de les proves de la RDC, us adoneu que hi ha molt marge per a la millora del maquinari i la innovació.
Stephen va assenyalar que Atlas és un exemple excel·lent del que es pot aconseguir: un sistema viable desenvolupat en poc temps.
Per a Pratt, però, el problema està més definit i creu que la millora del programari hauria de ser la primera. “El punt que intento transmetre és que la major part del programari es troba entre les orelles. Vull dir, què passa al cervell de l’operador, què passa al cervell del robot i com estan d’acord els dos. Volem centrar-nos en el maquinari del robot i encara en tenim problemes, per exemple, tenim problemes de costos de producció, eficiència energètica … Sens dubte, el més difícil és el programari; i és el codi de programació de la interfície robot-home i el codi de programació per als propis robots per realitzar la tasca pel seu compte, que inclou percepció i consciència de la situació, consciència del que està passant al món i opcions basades en el que el robot percep.
Pratt creu que trobar aplicacions comercials de robots és clau per desenvolupar sistemes avançats i avançar en la indústria. “Crec que realment necessitem aplicacions comercials més enllà de la gestió de desastres i la defensa general. La veritat és que els mercats, la defensa, la resposta d'emergència i l'alleujament dels desastres, són minúsculs en comparació amb el mercat comercial.
"Ens agrada parlar molt d'això a DARPA, prenent els telèfons mòbils com a exemple. DARPA ha finançat molts dels desenvolupaments que van conduir a la tecnologia utilitzada en els telèfons mòbils … Si aquest fos només el mercat de defensa al qual estaven destinades les cèl·lules, costarien molts ordres de magnitud més que ara, i això es deu al un enorme mercat comercial que ha permès obtenir una increïble disponibilitat de telèfons mòbils …"
“En el camp de la robòtica, opinem que necessitem exactament aquesta seqüència d'esdeveniments. Hem de veure el món comercial comprant aplicacions que faran caure els preus i després podrem crear sistemes específics per a l’exèrcit, en els quals es faran inversions comercials.
Els primers vuit equips participaran a les proves de desembre de 2014: Team Schaft, IHMC Robotics, Tartan Rescue, Team MIT, Robosimian, Team TRAClabs, WRECS i Team Trooper. Cadascun rebrà 1 milió de dòlars per millorar les seves solucions i, en última instància, l’equip guanyador rebrà un premi de 2 milions de dòlars, tot i que per a la majoria, el reconeixement és molt més valuós que els diners.
Robosimian del Jet Propulsion Laboratory de la NASA té un disseny inusual
Element virtual
La inclusió de DARPA de dues pistes en proves DRC, en què només participen equips de desenvolupament de programari, parla del desig de la direcció d’obrir programes al cercle més ampli possible de participants. Anteriorment, aquests programes de desenvolupament tecnològic eren prerrogativa de les empreses de defensa i dels laboratoris de recerca. No obstant això, la creació d'un espai virtual en què cada equip pugui provar el seu programari va permetre a competidors que tenien poca o cap experiència en el desenvolupament de programari per a robots competir al mateix nivell que empreses conegudes en aquest camp. DARPA també veu l'espai simulat com un llegat a llarg termini de les proves de DRC.
El 2012, DARPA va encarregar a l'Open Source Foundation que desenvolupés un espai virtual per al repte i l'organització es va dedicar a crear un model obert mitjançant el programari Gazebo. Gazebo és capaç de simular robots, sensors i objectes en un món en 3D i està dissenyat per proporcionar dades reals del sensor i el que es descriu com a "interaccions físicament plausibles" entre objectes.
El president de la Fundació de codi obert, Brian Goerkey, va dir que Gazebo es feia servir per les seves capacitats provades. "Aquest paquet s'utilitza força a la comunitat robotitzada, per això DARPA va voler apostar-hi, perquè vam veure els seus beneficis en el que fa; podríem construir una comunitat de desenvolupadors i usuaris al seu voltant ".
Tot i que Gazebo ja era un sistema conegut, Gorky va assenyalar que, encara que encara hi havia marge per lluitar, s’haurien de prendre mesures per complir els requisits identificats per DARPA. “Hem fet molt poc per modelar robots ambulants, ens hem centrat principalment en les plataformes de rodes i hi ha alguns aspectes del modelatge de robots ambulants que són força diferents. Heu de tenir molta precaució quant a la resolució de contactes i com modeleu el robot. D'aquesta manera, podeu obtenir bons paràmetres a canvi de la precisió. S’ha dedicat molt a la simulació detallada de la física del robot, de manera que podeu obtenir simulacions de bona qualitat i fer que el robot funcioni gairebé en temps real, en lloc de treballar en una dècima o centèsima part del temps real, que és probable, si no fos per tot l’esforç que hi dediqueu.
Un robot Atlas simulat puja a un cotxe durant la fase de competició virtual de la RDC
Respecte a la simulació del robot Atlas per a l’espai virtual, Görki va dir que la Fundació havia de començar amb un conjunt de dades bàsic. “Vam començar amb un model proporcionat per Boston Dynamics, no vam començar amb models CAD detallats, teníem un model cinemàtic simplificat que ens va ser proporcionat. Bàsicament, un fitxer de text que diu quant de temps té aquesta pota, què tan gran és, etc. El repte per a nosaltres consistia en ajustar correctament i amb precisió aquest model per poder obtenir un compromís en el rendiment a canvi de la precisió. Si el modeleu de manera simplista, podeu introduir algunes inexactituds en el motor físic subjacent, cosa que el farà inestable en determinades situacions. Per tant, molta feina consisteix a canviar lleugerament el model i, en alguns casos, escriure el vostre propi codi per simular determinades parts del sistema. Això no és només una simulació de física simple, hi ha un nivell per sota del qual no anirem.
Pratt és molt positiu sobre el que s’ha aconseguit amb VRC i l’espai simulat. “Hem fet alguna cosa que no ha passat abans, hem creat una simulació de procés realista des d'un punt de vista físic que es pot executar en temps real perquè l'operador pugui fer el seu treball interactiu. Realment ho necessiteu, ja que parlem d’una persona i d’un robot com un equip, de manera que la simulació d’un robot hauria de funcionar en el mateix període de temps que una persona, cosa que significa en temps real. Aquí, al seu torn, cal un compromís entre la precisió del model i la seva estabilitat … Crec que hem aconseguit molt en la competència virtual.
Stephen va explicar que l'Institut d'IHMC per a habilitats cognitives de màquines i humans va afrontar diferents reptes en el desenvolupament de programari. "Vam utilitzar el nostre propi entorn de simulació, que vam integrar amb Gazebo com a part d'una competició virtual, però gran part del nostre desenvolupament es realitza a la nostra plataforma anomenada Simulation Construction Set … vam utilitzar el nostre programari quan vam llançar un robot real, hem fet un munt de models i aquest dels nostres pilars fonamentals, esperem una gran experiència de desenvolupament de programari ".
Stephen va dir que el llenguatge de programació Java es prefereix a IHMC perquè té "una caixa d'eines realment impressionant que ha crescut al seu voltant". Va assenyalar que quan es combina Gazebo i el seu propi programari, "el principal problema és que escrivim el nostre programari en Java i la majoria del programari per a robots utilitza C o C ++, que són molt bons per als sistemes incrustats. Però volem treballar en Java de la manera que vulguem: fer que el nostre codi funcioni en un període de temps determinat, ja que s’implementa en C o C ++, però ningú més l’utilitza. És un gran problema perquè tots els programes Gazebo funcionin amb el nostre codi Java ".
DARPA i l'Open Source Foundation continuen desenvolupant i millorant la simulació i l'espai virtual. “Comencem a implementar elements que faran que el simulador sigui més útil en un entorn diferent, fora del lloc de rescat. Per exemple, prenem el programari que hem utilitzat a la competició (anomenat CloudSim perquè simula a l’entorn de computació en núvol) i el desenvolupem amb la intenció d’executar-lo en servidors de núvol”, va dir Görki.
Un dels principals avantatges de tenir un entorn simulat obert per a ús públic i treballar-hi al núvol és que els sistemes més potents poden realitzar càlculs d’alt nivell als servidors, permetent així a les persones utilitzar els seus ordinadors lleugers i fins i tot netbooks i tauletes. treballar al vostre lloc de treball. Görki també creu que aquest enfocament serà molt útil per a la docència, així com per al disseny i desenvolupament de productes. "Podreu accedir a aquest entorn de simulació des de qualsevol part del món i provar-hi el vostre nou robot".
