CHIMP utför en av de svåraste uppgifterna - att försöka fästa en brandslang till en brandpost
Robotics Challenge är värd för Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) och lovar att revolutionera systemens möjligheter och hur de är utformade. Låt oss ta en titt på denna händelse och utvärdera åsikten från ett antal nyckelspelare
Den 11 mars 2011 drabbades Japan av en kraftig jordbävning med ett epicentrum cirka 70 km utanför Honshu östkust. Som ett resultat av en jordbävning av magnitud 9 bildades vågor som nådde en höjd av 40 meter och förökade sig inåt landet i 10 km.
Kärnkraftverket Fukushima I stod i vägen för den förödande tsunamin. När jättevågor träffade stationen förstördes reaktorerna katastrofalt. Denna incident blev den värsta kärnkraftstragedin sedan olyckan vid kärnkraftverket i Tjernobyl 1986. Denna händelse utgjorde grunden för scenariot med kanske ett av de mest betydelsefulla robotprogrammen hittills - DRC (DARPA Robotics Challenge - praktiska tester av robotsystem under programmet Advanced Research and Development Administration från US Department of Defense).
DRC -rättegångarna tillkännagavs i april 2012 och katastrofhjälp valdes som scenario för dessa prövningar. Utvecklingen av nya system måste utföras inom ramen för detta scenario, främst på grund av det faktum att det ingick i de tio nyckeluppdragen i det amerikanska försvarsdepartementet, som identifierades av Vita huset och försvarsminister i januari 2012. I december 2013, inom ramen för dessa tävlingar, passerade ett viktigt skede, när de första "fullskaliga" testerna genomfördes i Florida för första gången.
Demokratiska republiken Kongo skiljer sig åt på flera innovativa sätt, de kombinerar virtuella och fälttester, och de är öppna för finansierade och icke-finansierade team. Denna händelse består av fyra så kallade sektioner eller spår; DARPA gav ekonomiskt stöd för två banor Spår A och Spår B och öppnade dessa tävlingar för alla nyanlända.
Av de fyra spåren fick två (spår A och spår B) finansiering. Efter ett allmänt tillkännagivande och ansökan lämnade DARPA ut sju lag för spår A för att utveckla ny hårdvara och programvara; i spår B utvecklade 11 team endast programvara.
Spår C är inte finansierat och är öppet för nya medlemmar från hela världen; Precis som deltagarna i spår B använde deltagarna främst ett virtuellt robotsimuleringsprogram för att testa sin programvara. Spår D är avsett för utländska bidragsgivare som vill utveckla hårdvara och programvara, men utan DARPA -finansiering i något skede.
Nyckeln till den innovativa DRC -metoden är komponenten VRC (Virtual Robotics Challenge). De högst rankade lagen - oavsett om de är från spår B eller C - kommer att få finansiering från DARPA, liksom Atlas -roboten från Boston Dynamics, som de kommer att delta i fälttester med.
I maj 2013 ansökte lag från spår B och spår C om att kvalificera sig för VRC, som hölls följande månad. Av mer än 100 registrerade lag fortsatte bara 26 att flytta till VRC och endast 7 lag närmade sig fullskaliga tester.
VRC: erna ägde rum i ett mycket exakt virtuellt utrymme som licensierats under Apache 2 -licensen från Open Source Foundation. Lagen fick i uppgift att slutföra tre av de åtta uppgifter som identifierades för riktiga robotar i de första fälttesterna.
Testning
Medan robotarna som demonstrerades i VRC var imponerande var det inte 100% säkert hur de skulle bete sig i fälttester. men Jill Pratt, programchef för DRC -tävlingen, sa att han var mycket nöjd med deras förmåga.”Vi förväntade oss att eftersom detta var den första fysiska delen av testet, kunde vi se många maskinvaruhaverier, men i själva verket var det inte så, all hårdvara var mycket tillförlitlig. De första lagen, särskilt de tre första, lyckades få mer än halva poängen och gjorde betydande framsteg även när vi medvetet störde kommunikationskanalen."
Pratt var också imponerad av förmågan hos Atlas -roboten, "Det överträffade verkligen våra förväntningar … Boston Dynamics har utfört exemplariskt arbete för att säkerställa att inget av lagen skadas av någon form av hårdvarufel."
Det finns dock fortfarande utrymme för förbättringar, till exempel manipulatorarmar med begränsat arbetsutrymme och läckage från robotens hydraulsystem. Moderniseringsprocessen började redan innan evenemanget i december 2013. Pratt sa att han också skulle vilja öka antalet olika instrument i finalen och robotarna kommer sannolikt att ha ett bälte med verktyg från vilka de kommer att behöva välja de nödvändiga verktygen och ändra dem under manuskörningen.
Atlasroboten hyllades också av Doug Stephen, forskare och mjukvaruingenjör vid Florida Institute for Human and Machine Cognitive Abilities, vars team kom tvåa på spår B i fältförsök. "Det här är en ganska underbar robot … vi har arbetat med det 200 timmars ren tid på två eller tre månader och det är mycket ovanligt för en experimentell plattform - förmågan att arbeta stadigt och inte gå sönder."
Det finns bokstavligen heroiska ansträngningar bakom DRC: s imponerande robotiska förmågor; uppdrag är utformade för att vara särskilt utmanande och utmana hårdvaran och mjukvaran som utvecklats av teamen.
Även om uppgifterna var svåra tycker Pratt inte att DARPA satte ribban för högt och noterade att varje uppgift var klar av minst ett av lagen. Att köra och förena ärmarna befanns vara de svåraste uppgifterna. Enligt Stephen var den första den svåraste:”Jag skulle definitivt säga - uppgiften att köra bil, och inte ens på grund av själva körningen. Om du vill ha helt autonom körning, vilket är väldigt svårt, har du alltid en robotoperatör. Att köra var inte så svårt, men att kliva ur bilen är mycket svårare än folk kan föreställa sig; det är som att lösa ett stort 3D -pussel."
I enlighet med DRC -finalens format, som beräknas i december 2014, kommer alla uppgifter att kombineras till ett kontinuerligt scenario. Detta för att göra det mer trovärdigt och ge team strategiska val om hur de ska utföras. Svårigheten kommer också att öka, och Pratt tillade:”Vår utmaning för lag som har gjort det bra på Homestead är att göra det ännu svårare. Vi ska ta bort de bundna kablarna, ta bort kommunikationskablarna och ersätta dem med en trådlös kanal, medan vi kommer att försämra kvaliteten på anslutningen så att den blir ännu värre än i tidigare tester."
”Min plan för tillfället är att göra anslutningen intermittent, ibland måste den helt försvinna, och jag tror att detta bör göras i en slumpmässig ordning, som det händer i verkliga katastrofer. Låt oss se vad robotar kan göra, arbeta i några sekunder, eller kanske upp till en minut, försöka utföra några deluppgifter på egen hand, även om de inte är helt avskurna från operatörens kontroll och jag tror att det kommer att vara mycket intressant syn."
Pratt sa att säkerhetssystemen också kommer att tas bort i finalen. "Det betyder att roboten måste stå emot fallet, det betyder också att den måste klättra på egen hand och det kommer faktiskt att vara ganska svårt."
Schaftrobot tar bort skräp från sin väg
Utmaningar och strategier
Av de åtta lagen under testerna använde fem ATLAS -roboten, men deltagarna i spår A - vinnaren av Team Schaft och den tredje vinnaren av Team Tartan Rescue - använde sin utveckling. Ursprungligen från Carnegie Mellon University (CMU) National Robotics Engineering Center, har Tartan Rescue utvecklat CMU Highly Intelligent Mobile Platform (CHIMP) för DRC -testning. Tony Stentz från Tartan Rescue förklarade lagets resonemang för att utveckla sitt eget system: "Det kan vara säkrare att använda en humanoid robot från hyllan, men vi visste att vi kunde skapa en bättre design för katastrofinsatser."
”Vi visste att vi var tvungna att skapa något grovt mänskligt, men vi gillade inte behovet av humanoida robotar för att upprätthålla balansen när vi rör oss. När tvåbensrobotar rör sig måste de hålla balansen för att inte falla, och det här är ganska svårt på en plan yta, men när man pratar om att röra sig genom byggrester och kliva på föremål som kan röra sig, blir det ännu svårare. Därför är CHIMPEN statiskt stabil, den vilar på en ganska bred bas och i upprätt läge rullar den på ett par spår vid fötterna, så att den kan gå fram och tillbaka och vända på plats. Den kan placeras lätt nog för att räcka ut händerna för att bära allt du behöver på uppdraget; när han behöver röra sig på svårare terräng kan han falla på alla fyra lemmarna, eftersom han också har larvpropeller på händerna.
Oundvikligen stod team från olika banor inför olika utmaningar när de förberedde sig för testerna, Institute for Human and Machine Cognitive Abilities fokuserade på mjukvaruutveckling, eftersom detta är det svåraste problemet - övergången från VRC till fältproblem. Stephen sa att”när Atlas -roboten levererades till oss hade den två” lägen”som du kunde använda. Den första är en enkel uppsättning rörelser från Boston Dynamics som du kan använda för rörelse och som har varit något underutvecklade. Det visade sig att de flesta av lagen använde dessa inbyggda lägen från Boston Dynamics under Homestead-tävlingen, väldigt få lag skrev sin egen robotstyrningsprogramvara och ingen skrev sin egen programvara för hela roboten …"
"Vi skrev vår egen programvara från grunden och det var en helkroppsstyrenhet, det vill säga det var en styrenhet som fungerade i alla uppgifter, vi bytte aldrig till andra program eller till en annan styrenhet … Därför en av de svåraste uppgifterna var att skapa programkoden och köra den på Atlas eftersom det var en svart låda när Boston Dynamics presenterade den för oss, men det är deras robot och deras IP så vi hade verkligen inte lågnivååtkomst till omborddatorn Our programvara körs på en extern dator och kommunicerar sedan med att använda ett API (Application Programming Interface) över fiber med en inbyggd dator, så det är stora förseningar och problem med synkronisering och det blir ganska svårt att styra ett så komplext system som Atlas."
Även om det var svårare och mer tidskrävande att skriva din egen kod från början för Institute for Human and Machine Cognitive Abilities, tror Stephen att detta tillvägagångssätt är mer lönsamt, eftersom när problem uppstår kan de lösas snabbare än att förlita sig på Boston Dynamics. Dessutom var Atlas companion -mjukvaran inte lika avancerad som den programvara som Boston Dynamics använder i sina egna demos”när de skickade roboten … sa de helt öppet att rörelserna inte är vad du ser när Boston Dynamics laddar upp en video av roboten till Youtube. arbetar med programvaran för detta företag. Detta är en mindre avancerad version … detta räcker för att träna roboten. Jag vet inte om de skulle ge koden till kommandona att använda, jag tror inte att de förväntade sig att alla skulle skriva sin egen programvara. Det vill säga, det som levererades tillsammans med roboten är möjligt redan från början och var inte avsett att slutföra alla åtta uppgifterna i DRC: s praktiska tester."
Den största utmaningen för Tartan Rescue -teamet var det strama schema de måste följa när de utvecklade den nya plattformen och tillhörande programvara.”För femton månader sedan var CHIMP bara ett koncept, en ritning på papper, så vi var tvungna att designa delarna, göra komponenterna, sätta ihop allt och testa allt. Vi visste att det skulle ta det mesta av vår tid, vi kunde inte vänta och börja skriva program tills roboten var klar, så vi började utveckla programvara parallellt. Vi hade faktiskt inte en fullfjädrad robot att arbeta med, så vi använde simulatorer och hårdvarusubstitut under utvecklingen. Till exempel hade vi en separat manipulatorarm som vi kunde använda för att kontrollera vissa saker för en enda lem, förklarade Stentz.
Med hänvisning till de komplikationer som kommer att bidra till försämringen av dataöverföringskanaler noterade Stentz att detta beslut gjordes från början speciellt för sådana situationer och att det inte är ett särskilt svårt problem.”Vi har sensorer monterade på robotens huvud-laseravståndsmätare och kameror-så att vi kan bygga en komplett 3D-texturkarta och modell av robotens miljö; detta är vad vi använder från operatörssidan för att styra roboten och vi kan föreställa oss denna situation i olika upplösningar beroende på tillgängligt frekvensband och kommunikationskanal. Vi kan fokusera vår uppmärksamhet och få en högre upplösning på vissa områden och en lägre upplösning på andra områden. Vi har förmågan att fjärrstyra roboten direkt, men vi föredrar en högre kontrollnivå när vi definierar mål för roboten och detta styrläge är mer motståndskraftigt mot signalförlust och förseningar.”
Schaft -roboten öppnar dörren. Förbättrade funktioner för robothantering kommer att vara ett måste för framtida system
Nästa steg
Stentz och Stephen sa att deras team för närvarande utvärderar sina förmågor i verkliga tester för att bedöma vilka åtgärder som måste vidtas för att gå vidare, och att de väntar på en DARPA-granskning och ytterligare information om vad som kommer att bli i finaler. Stephen sa att de också ser fram emot att få några ändringar för Atlas och noterar ett redan godkänt krav för finalen - användningen av en inbyggd strömförsörjning. För CHIMP är detta inget problem, eftersom roboten med elektriska enheter redan kan bära sina egna batterier.
Stentz och Stephen var överens om att det finns ett antal utmaningar som måste hanteras för att utveckla rymdsystemet för robotsystem och skapa plattformstyper som kan användas i katastrofhjälpsscenarier.”Jag skulle säga att det inte finns en enda sak i världen som kan vara ett universalmedel. När det gäller hårdvara tror jag att maskiner med mer flexibel manipulation kan vara användbara. När det gäller programvara tror jag att robotar behöver en större autonomi så att de kan prestera bättre utan en kommunikationskanal vid fjärroperationer; de kan utföra uppgifter snabbare eftersom de gör mycket själva och fattar fler beslut per tidsenhet. Jag tror att den goda nyheten är att DARPA -tävlingar verkligen är utformade för att marknadsföra både hårdvara och programvara, säger Stentz.
Stephen anser att förbättringar i teknikutvecklingsprocesser också behövs.”Som programmerare ser jag många sätt att förbättra programvara och jag ser också många förbättringsmöjligheter när jag arbetar med dessa maskiner. Många intressanta saker händer i laboratorier och universitet där det kanske inte finns en stark kultur i denna process, så ibland går arbetet slumpmässigt. Genom att titta på de riktigt intressanta projekten i DRC -försöken inser du att det finns mycket utrymme för hårdvaruförbättringar och innovation."
Stephen noterade att Atlas är ett utmärkt exempel på vad som kan uppnås - ett fungerande system som utvecklats på kort tid.
För Pratt är emellertid problemet mer definierat och han anser att mjukvaruförbättring bör komma först.”Poängen jag försöker få fram är att huvuddelen av programvaran ligger mellan öronen. Jag menar, vad som händer i operatörens hjärna, vad som händer i robotens hjärna och hur de två håller med varandra. Vi vill fokusera på robotens hårdvara och vi har fortfarande problem med den, till exempel har vi problem med produktionskostnader, energieffektivitet … Utan tvekan är den svåraste programvaran; och det är programmeringskoden för robot-mänskligt gränssnitt och programmeringskoden för robotarna själva att utföra uppgiften på egen hand, som inkluderar uppfattning och situationsmedvetenhet, medvetenhet om vad som händer i världen och val baserat på vad roboten uppfattar."
Pratt tror att det är viktigt att hitta kommersiella robotapplikationer för att utveckla avancerade system och för att driva branschen framåt.”Jag tror att vi verkligen behöver kommersiella applikationer utöver katastrofhantering och allmänt försvar. Sanningen är att marknaderna, försvar, katastrofinsatser och katastrofhjälp är små jämfört med den kommersiella marknaden."
”Vi gillar att prata mycket om det här på DARPA och tar mobiltelefoner som exempel. DARPA har finansierat många av de utvecklingar som ledde till den teknik som används i mobiltelefoner … Om detta bara var den försvarsmarknad som cellerna var avsedda för skulle de kosta många storleksordningar mer än nu, och detta beror på enorm kommersiell marknad som har gjort det möjligt att få otrolig tillgänglighet av mobiltelefoner …"
”Inom robotik är vår uppfattning att vi behöver exakt den här händelseförloppet. Vi måste se den kommersiella världen köpa applikationer som får priserna att falla, och sedan kan vi skapa system specifikt för militären, där kommersiella investeringar kommer att göras."
De första åtta lagen kommer att delta i försöken i december 2014 - Team Schaft, IHMC Robotics, Tartan Rescue, Team MIT, Robosimian, Team TRAClabs, WRECS och Team Trooper. Var och en kommer att få 1 miljon dollar för att förbättra sina lösningar och i slutändan kommer det vinnande laget att få ett pris på 2 miljoner dollar, men för de flesta är erkännande mycket mer värdefullt än pengar.
Robosimian från NASA: s Jet Propulsion Laboratory har en ovanlig design
Virtuellt element
DARPA: s införande av två spår i DRC -prövningar, där endast programvaruutvecklingsteam deltar, talar om ledningens önskan att öppna program för den största möjliga kretsen av deltagare. Tidigare var sådana teknikutvecklingsprogram privilegier för försvarsföretag och forskningslaboratorier. Men skapandet av ett virtuellt utrymme där varje lag kan testa sin programvara gjorde det möjligt för konkurrenter som hade liten eller ingen erfarenhet av att utveckla programvara för robotar att konkurrera på samma nivå som kända företag inom detta område. DARPA ser också det simulerade utrymmet som ett långsiktigt arv från DRC-tester.
År 2012 gav DARPA i uppdrag till Open Source Foundation att utveckla ett virtuellt utrymme för utmaningen, och organisationen satte igång med att skapa en öppen modell med hjälp av Gazebo -programvara. Gazebo kan simulera robotar, sensorer och objekt i en 3D -värld och är utformat för att ge realistiska sensordata och vad som beskrivs som "fysiskt troliga interaktioner" mellan objekt.
Open Source Foundation -ordförande Brian Goerkey sa att Gazebo användes på grund av dess beprövade förmåga.”Det här paketet används ganska mycket i robotgemenskapen, varför DARPA ville satsa på det, eftersom vi såg dess fördelar i vad det gör; vi skulle kunna bygga en gemenskap av utvecklare och användare runt den."
Även om Gazebo redan var ett välkänt system noterade Gorky att även om det fortfarande fanns utrymme att sträva efter, bör åtgärder vidtas för att uppfylla kraven som identifierats av DARPA.”Vi har gjort väldigt lite för att modellera gångrobotar, vi fokuserade främst på hjulplattformar och det finns vissa aspekter av modellering av gångrobotar som är ganska olika. Du måste vara mycket försiktig med hur du gör kontaktupplösning och hur du modellerar roboten. På så sätt kan du få bra parametrar i utbyte mot noggrannhet. Mycket ansträngning har gjorts för detaljerad simulering av robotens fysik, så att du kan få simuleringar av god kvalitet och även få roboten att fungera i nästan realtid, i motsats till att arbeta i en tiondel eller en hundradel av realtid, vilket är troligt, om inte för alla ansträngningar du lägger ner på det."
En simulerad Atlas -robot kliver in i en bil under den virtuella tävlingsstadiet i Demokratiska republiken Kongo
När det gäller simulering av Atlas -roboten för virtuellt utrymme sa Görki att stiftelsen måste börja med en grundläggande dataset.”Vi började med en modell från Boston Dynamics, vi började inte med detaljerade CAD -modeller, vi hade en förenklad kinematisk modell som vi fick. I grund och botten en textfil som säger hur långt det här benet är, hur stort det är och så vidare. Utmaningen för oss var att korrekt och exakt justera denna modell så att vi kunde få en kompromiss i prestanda i utbyte mot noggrannhet. Om du modellerar det på ett förenklat sätt kan du införa några felaktigheter i den underliggande fysikmotorn, vilket gör det instabilt i vissa situationer. Därför är mycket arbete att ändra modellen något och i vissa fall skriva din egen kod för att simulera vissa delar av systemet. Detta är inte bara en simulering av enkel fysik, det finns en nivå under vilken vi inte kommer att gå."
Pratt är mycket positiv till vad som har uppnåtts med VRC och simulerat utrymme.”Vi har gjort något som inte har hänt tidigare, skapat en realistisk processimulering ur fysisk synvinkel som kan köras i realtid så att operatören kan utföra sitt interaktiva arbete. Du behöver verkligen detta, eftersom vi pratar om en person och en robot som ett team, så simuleringen av en robot ska fungera i samma tidsram som en person, vilket betyder i realtid. Här krävs i sin tur en kompromiss mellan modellens noggrannhet och dess stabilitet … Jag tror att vi har uppnått mycket i den virtuella tävlingen."
Stephen förklarade att IHMC: s Institute for Human and Machine Cognitive Ababilities stod inför olika utmaningar inom mjukvaruutveckling.”Vi använde vår egen simuleringsmiljö, som vi integrerade med Gazebo som en del av en virtuell tävling, men mycket av vår utveckling sker på vår plattform som heter Simulation Construction Set … vi använde vår programvara när vi lanserade en riktig robot, vi gjorde en hel del modellering och den här en av våra hörnstenar, vi ser fram emot mycket bra erfarenhet av mjukvaruutveckling."
Stephen sa att programmeringsspråket Java är att föredra vid IHMC eftersom det har "en riktigt imponerande verktygslåda som har vuxit upp runt det." Han noterade att när vi kombinerar Gazebo och hans egen programvara, "är huvudproblemet att vi skriver vår programvara i Java och de flesta programvaror för robotar använder C eller C ++, som är mycket bra för inbäddade system. Men vi vill arbeta i Java som vi vill - för att få vår kod att fungera inom en viss tidsram, eftersom den är implementerad i C eller C ++, men ingen annan använder den. Det är ett stort problem att få alla Gazebo -program att fungera med vår Java -kod.”
DARPA och Open Source Foundation fortsätter att utveckla och förbättra simulering och virtuellt utrymme.”Vi börjar implementera element som gör simulatorn mer användbar i en annan miljö, utanför räddningsplatsen. Till exempel tar vi den programvara som vi använde i tävlingen (kallad CloudSim eftersom den simulerar i molnberäkningsmiljön) och vi utvecklar den med avsikt att köra på molnservrar, säger Görki.
En av de främsta fördelarna med att ha en simulerad miljö öppen för allmänt bruk och arbeta med den i molnet är att högnivåberäkningar kan utföras av kraftfullare system på servrar, vilket gör att människor kan använda sina lätta datorer och till och med netbooks och surfplattor. att arbeta på din arbetsplats. Görki tror också att detta tillvägagångssätt kommer att vara mycket användbart för undervisning, liksom för produktdesign och utveckling. "Du kommer att kunna komma åt denna simuleringsmiljö var som helst i världen och prova din nya robot i den."
