Моите седем вида роботи - и как ги създадохме

На ТЕДхНАСА Денис Хонг представя седем спечелили награди роботи за всякакъв терен - като хуманоида, играч на футбол Дарвин и катерача по скали Клаймър - всички изградени от екипа му в РоМеЛа, Вирджиния Теk. Гледайте докрая, за да чуете петте творчески тайни на невероятния технически успех на тази лаборатория.

Първият робот, за който ще говорим, се нарича СТрайДЪР.

Името е съкращение от "самовъзбудим

трикрак динамичен експериментален робот".

Това е робот, който има три крака,

вдъхновен от природата.

Но виждали ли сте в природата

животно, което има три крака?

Вероятно не. Тогава защо наричам това

биологично вдъхновен робот? Как би действал той?

Но преди това, да погледнем поп културата.

Познат ви е романът на Х.Дж.Уелс "Война на световете", както и филмът.

А това, което виждате тук, е една

много популярна видеоигра.

В художествената литература описват извънземните

трикраки роботи, които тероризират Земята.

Но моят робот - СТрайДЪР, не се движи така.

Това е анимация с реална динамична стимулация.

Просто ще ви покажа как действа роботът.

Обръща с подскок тялото си на 180 градуса.

Люлее крака си между двата други крака, за да предотврати падане.

Ето как върви. Но като погледнете нас,

човешките същества, вървящи на два крака,

какво правите, ако всъщност не използвате мускул,

за да вдигнете крак и да вървите като робот. Нали?

Онова, което правите всъщност, е да залюлеете крак и да избегнете падането,

отново да се изправите, да залюлеете крак и да избегнете падането.

Като използвате вградената си динамика, физиката на вашето тяло,

точно като махало.

Наричаме това понятието за пасивно динамично придвижване.

Онова, което правите, когато стоите изправени,

потенциална енергия към кинетична енергия,

потенциална енергия към кинетична енергия.

Това е процес на постоянно падане.

Затова, макар и в природата да няма нищо, което прилича на това,

наистина бяхме вдъхновени от биологията

и с прилагане принципите на ходенето

към този робот, това е биологично вдъхновен робот.

Ето там виждате следващото, което искаме да направим.

Искаме да сгънем краката нагоре и да го пригодим за движение с далечен обсег.

Разгръща краката си, прилича почти на "Междузвездни войни".

Когато се приземява, той поглъща удара и започва да върви.

Онова, което виждате тук, това жълто нещо - това не е лъч на смъртта.

А само за да ви покажа, че ако имате камери

или различни типове сензори,

защото е висок - висок е 1,8 метра,

може да виждате над пречки като храсти и такива неща.

Имаме два прототипа.

Първата версия, отзад - това е СТрайДЪР І.

Онзи отпред, по-малкият, и СТрайДЪР ІІ.

Проблемът, който имахме със СТрайДЪР І,

е, че просто беше твърде тежък в тялото. Имахме толкова много мотори,

разбирате ли, подреждане на ставите и такива неща.

Затова решихме да синтезираме механичен механизъм,

така че да можем да се отървем от всички мотори и с един-единствен мотор

можем да координираме всички движения.

Това е механично решение на даден проблем, вместо да се използва мехатроника.

А с това сега горната част на тялото е достатъчно лека, за да може да върви в лаборатория.

Това беше първата успешна стъпка.

Все още не е усъвършенствана. Кафето му пада,

така че още имаме много работа за вършене.

Вторият робот, за който искам да говоря, се нарича ИМПАС.

Съкращение от Интелигентна мобилна платформа със спицово задвижване.

Това е хибриден робот на колела.

Представете си колело без ръб,

или спицово колело.

Но спиците индивидуално се движат в главината и извън нея.

Това е хибрид на колела.

Буквално преизобретяваме колелото тук.

Да демонстрирам как работи.

В това видео използваме един подход,

наречен реактивен подход.

Просто като използва тактилните сензори на стъпалата,

той се опитва да върви по променящ се терен,

мек терен, при който натиска надолу и се променя.

И само чрез тактилната информация

успешно пресича тези типове терен.

Но когато се сблъска с много екстремен терен,

в този случай пречката е над три пъти

по-висока от робота,

тогава превключва на режим на обмисляне,

при който използва лазерен обхватен приемник

и системи от камери, за да идентифицира пречката и размера

и планира, внимателно планира движението на спиците

и го координира, така че да може да показва

тази много, много впечатляваща мобилност.

Вероятно не сте виждали нищо подобно.

Това е робот с много висока мобилност,

развит от нас, наречен ИМПАС.

А! Не е ли страхотно?

Когато карате колата си,

когато управлявате колата си, използвате един метод,

наречен Акерманово управление.

Предните колела се въртят ето така.

Повечето от тези малки роботи на колела

използват един метод, наречен диференциално управление,

при който лявото и дясното колело се обръщат в противоположна посока.

При ИМПАС можем да извършваме много, много различни типове движение.

Например, в този случай, макар и лявото и дясното колело да са свързани

с една полуос, въртяща се под същия ъгъл.

Просто променяме дължината на спицата.

Засяга диаметъра, а после се обръща наляво, обръща се надясно.

Това са само някои примери за спретнатите неща,

които можем да правим с ИМПАС.

Този робот се нарича КЛАЙМъР,

Кабелно окачен интелигентен робот с крайници и подходящо поведение.

Говорил съм с много специалисти от Лабораторията за реактивни двигатели (ЛРД) на НАСА

в ЛРД са прочути с марсоходите.

Учените и геолозите винаги ми казват,

че истински интересната наука,

местата с научни богатства са винаги по скалите.

Но сегашните машини не могат да стигнат дотам.

И така, вдъхновени от това, че искахме да изградим робот,

който да може да се катери по структурирана среда със стръмни урви.

Това е КЛАЙМъР.

Ето какво прави - има три крака. Вероятно тудно се вижда,

но отгоре има лебедка и кабел.

И се опитва да открие къде е най-доброто място да стъпи.

А щом го открие,

в реално време изчислява разпределението на силата.

Колко сила е нужна, за да се напрегне до повърхността,

така че да не се наклони и да не се подхлъзне.

Щом се стабилизира, вдига крак,

а после с лебедката може да се изкатерва по такива неща.

Прилага се също и за издирване и спасяване.

Преди пет години всъщност работех в ЛРД към НАСА

през лятото като аспирант-преподавател.

И вече имаха шестокрак робот, наречен ЛЕМУР.

Всъщност основан върху това. Този робот се нарича МАРС,

Многопридатъчна роботична система. Той е робот-хексапод.

Развили сме свой адаптивен планьор на походка.

Всъщност там имаме много интересен товар.

Студентите обичат да се забавляват. А тук виждате,

че върви по неструктуриран терен.

Опитва се да върви по грубия терен,

пясъчен район,

но в зависимост от съдържанието на влага или размера на пясъчното зърно

се променя моделът на затъване на стъпалото в почвата.

Той се опитва да адаптира походката си, за да прекосява успешно тези неща.

Прави и някои забавни неща, както може да си представите.

Много хора посещават лабораторията ни.

Когато дойдат посетителите, МАРС се приближава до компютъра,

започва да пише "Здравейте, казвам се МАРС".

Добре дошли в РоМеЛа,

лабораторията за роботични механизми във "Вирджиния Тек".

Този робот е робот-амеба.

Нямаме достатъчно време да навлизаме в технически подробности,

само ще ви покажа някои от експериментите.

Това са някои от ранните експерименти за приложимост.

Съхраняваме потенциална енергия в еластичната кожа, за да я накараме да се движи.

Или използваме връзки за активно напрежение, за да го накараме

да се движи напред и назад. Казва се ХиМЕРА.

Работили сме и с някои учени

и инженери от "Унивеситета в Пенсилвания",

за да създадем химически задвижвана версия

на този робот-амеба.

Правим нещо с нещо.

И като по магия то се движи. Петното.

Този робот е много скорошен проект. Казва се РАФаЕЛ.

Роботична въздухозадвижвана ръка с еластични връзки.

Има много наистина хубави, много добри роботични ръце на пазара.

Проблемът е, че просто са твърде скъпи, десетки хиляди долари.

Така че вероятно не е особено практично за протезно приложение,

защото човек не може да си го позволи.

Искахме да се захванем с разрешаване на този проблем в една много различна насока.

Вместо да използваме електрически мотори, електромеханично задвижване,

използваме сгъстен въздух.

Развихме новаторски устройства за задвижване на стави.

Услужлив е. Всъщност може да се промени силата,

просто като се промени натискът на въздуха.

И наистина може да смачка празна кутия от сода.

Може да вдига много деликатни обекти като сурово яйце,

или, в този случай, електрическа крушка.

Най-хубавото е, че за изработка на първия прототип бяха нужни само 200 долара.

Този робот всъщност е семейство от роботи-змии,

които наричаме ХиДРИ,

Хипер градуси-свобода роботно артикулирано влечуго.

Това е робот, който може да се катери по структури.

Това е ръка на ХиДРИ.

Роботична ръка с 12 градуса свобода.

Но страхотното е потребителският интерфейс.

Кабелът ей там е оптично стъкло.

А тази студентка вероятно го използва за пръв път,

но може да го артикулира по много различни начини.

Например в Ирак, знаете ли, във военната зона

има крайпътни бомби. Сега може да изпращате

въоръжени превозни средства с дистанционно управление.

Наистина е нужно много време и е скъпо

да се обучи операторът да работи с тази сложна ръка.

В този случай тя е много интуитивна.

Студентката, която вероятно я използва за пръв път, изпълнява много сложна манипулационна задача,

вдига обекти и прави манипулации,

просто ей така, много интуитивно.

Този робот понастоящем е нашият робот-звезда.

Всъщност имаме фен клуб за робота ДАРвИн,

Динамичен антропоморфичен робот с интелигентност.

Както знаете, много се интересуваме

от хуманоидния робот, човешката походка,

затова решихме да изградим един малък хуманоиден робот.

Това беше през 2004-та, по онова време

беше нещо наистина революционно.

Това беше по-скоро проучване за приложимост,

какъв вид мотори трябва да използваме?

Дали изобщо е възможно? Какъв вид контрол трябва да прилагаме?

няма никакви сензори.

Така че това е управление с отворен обръч.

За онези от вас, които може би знаят, ако няма никакви сензори

и има някакви смущения, знаете какво се случва.

(Смях)

Въз основа на този успех на следващата година

направихме подобаващия механичен дизайн,

като започнахме от кинематиката.

И така през 2005-та се роди ДАРвИн І.

Той се изправя. Върви, много впечатляващо.

Но все още, както виждате,

има връв, пъпна връв. Все още използваме външен източник на захранване

и външно изчисление.

През 2006-та вече наистина е време за забавление.

Да му дадем интелигентност. Даваме му цялата изчислителна мощ, която му е нужна,

1,5 гигахерцов чип "Пентиум М",

две камери "Firewire", осем жироскопа, акселерометър,

четири сензора за усукване на стъпалото, литиеви батерии за захранване.

И сега ДАРвИн ІІ е напълно автономен.

Той не е с дистанционно управление.

Няма верига. Оглежда се наоколо, търси топката,

оглежда се, търси топката и се опитва да играе футболен мач,

автономно, изкуствена интелигентност.

Да видим как ще се справи. Това беше първият ни опит,

и... Видео: Гол!

Всъщност има едно състезание, наречено РобоКупа.

Не знам колко от вас са чували за РобоКупа.

Това е международно футболно състезание за автономни роботи.

А целта на РобоКупа - истинската цел е,

че до 2050-та година

искаме да имаме автономни хуманоидни роботи в естествен ръст,

които да играят футбол срещу

човешки шампиони от Световната купа и да спечелят.

Това е истинска, реална цел. Много амбициозна цел,

но наистина вярваме, че можем да я постигнем.

Това е миналата година в Китай.

Бяхме първият отбор в Съединените щати, квалифициран

за участие в състезанието на хуманоидни роботи.

Това е тази година - беше в Австрия.

Ще видите действието, три на три,

напълно автономно.

Ето. Да!

Роботите проследяват и играят,

играят в екип помежду си.

Много е впечатляващо. Всъщност е изследвано събитие,

пакетирано в по-вълнуващо състезателно събитие.

Онова, което виждате там - това е красивата

купа "Луи Вютон".

Тя е за най-добър хуманоид,

и бихме искали да я донесем за пръв път в Съединените щати,

догодина, ако късметът е на наша страна.

Благодаря.

(Аплодисменти)

ДАРвИн има и много други таланти.

Всъщност, миналата година той дирижира Роанокския симфоничен оркестър

на празничния концерт.

Това е роботът от следващо поколение, ДАРвИн ІV,

но по-умен, по-бърз, по-силен.

Опитва се да покаже способностите си.

"Аз съм мъжкар, силен съм."

Мога да правя и някои трикове в стил Джеки Чан,

движения от бойните изкуства.

(Смях)

И си тръгва. Това е ДАРвИн ІV,

ще може да го видите пак във фоайето.

Истински вярваме, че това ще бъде първият тичащ

хуманоиден робот в Съединените щати. Не спирайте да следите развитието.

Така - показах ви някои от нашите вълнуващи роботи в действие.

А каква е тайната на успеха ни?

Откъде ни хрумват тези идеи?

Как развиваме такива идеи?

Имаме напълно автономно превозно средство,

което може да се движи в градска среда.

Спечелихме половин милион долара на Градското предизвикателство на DARPA.

Имаме също и първото в света

превозно средство, което може да се управлява от слепи.

Наричаме го предизвикателството на слепия шофьор, много вълнуващо.

Искам да говоря и за много, много други роботични проекти.

Това са само наградите, които спечелихме през есента на 2007-а

на конкурс по роботика, такива неща.

Всъщност имаме пет тайни.

Първата е - откъде се вдъхновяваме,

откъде получаваме тази искра на въображението?

Това е истинска история, моя лична история.

Вечер, като си легна в 3-4 часа сутринта,

лягам, затварям очи и виждам едни линии, кръгове

и различни форми да се носят наоколо,

събират се и оформят някакви механизми.

И тогава си мисля: "А, страхотно."

Затова точно до леглото си държа бележник,

дневник, със специална химикалка с лампичка, светодиод,

защото не искам да светвам лампата и да будя жена си.

Значи, виждам това, нахвърлям всичко, правя рисунки

и си лягам.

Всяка сутрин

първото, което правя преди първата си чаша кафе,

преди да си измия зъбите, си отварям бележника.

Много пъти е празен,

понякога имам нещо там, понякога е боклук,

но повечето пъти не мога дори да си разчета почерка.

Е, какво може да се очаква в 4 сутринта?

Така че трябва да дешифрирам како съм писал.

Но понякога виждам там по някоя находчива идея

и имам момент "еврика".

Тичам направо в домашния си офис, сядам на компютъра,

въвеждам идеите, скицирам нещата

и поддържам база данни от идеи.

И когато обявят конкурс за проекти,

се опитвам да намеря нещо подходящо

сред потенциалните ми идеи

за задачата; ако има такова, пишем изследователски проект,

получаваме изследователско финансиране и така стартираме изследователските си програми.

Но само искра въображение не стига.

Как развиваме този тип идеи?

В нашата лаборатория РоМеЛа, Лаборатория за роботични механизми,

имаме фантастични брейнсторминг сесии.

Събираме се в кръг и обсъждаме проблеми,

социални проблеми и говорим за тях.

Но преди да започнем, поставяме едно златно правило.

Правилото е:

Никой не критикува ничии идеи.

Никой не критикува никое мнение.

Това е важно, защото много пъти студентите се боят

или се чувстват неудобно какво може да си помислят другите

за техните мнения и мисли.

Щом веднъж го направиш, е изумително

как се отварят тези студенти.

Имат страхотни, луди, блестящи идеи,

цялата зала просто се наелектризира от креативна енрегия.

Ето как развиваме идеите си.

Ами, времето ни изтича - искам да говоря за още нещо,

разбирате ли, само искра на идея и развитие не са достатъчни.

Имаше един страхотен ТЕД момент,

мисля, че беше сър Кен Робинсън, нали?

Той изнесе разговор за това как образованието

и училището убиват креативността.

Е, всъщност историята има две страни.

Не може да се направи кой знае какво

само с находчиви идеи,

креативност и добра инженерна интуиция.

Ако искаш да стигнеш отвъд нескопосното бърникане,

ако искаш да стигнеш отвъд роботиката като хоби

и наистина да се захванеш с великите предизвикателства на роботиката

чрез щателни проучвания,

е нужно повече от това. Ето къде се намесва училището.

Батман, като се бие с лошите,

има един колан с инструменти, има грайферната си кука,

има всякакви различни джаджи.

За нас, роботиците, инженери и учени,

тези инструменти са курсовете и уроците, които вземаш в час.

Математика, диференциални уравнения.

Имам линеарна алгебра, наука, физика,

дори в днешно време, химия и биология, както видяхте.

Това са всички инструменти, които са ни нужни.

Колкото повече инструменти имаш, за Батман

по-ефективен в борбата с лошите,

за нас - повече инструменти за атакуване на тези големи проблеми.

Така че образованието е много важно.

Не става дума за това,

а само за това, трябва и да работиш наистина, наистина упорито.

Затова винаги казвам на студентите си -

работете умно, после работете упорито.

Снимката отзад - това е в три часа сутринта.

Гарантирам, че ако дойдете в лабораторията в 3-4 сутринта,

там работят студенти -

не защото им казвам да идват, а защото се забавляваме твърде много.

Което води до последната тема.

Не забравяйте да се забавлявате.

Това всъщност е тайната на нашия успех - твърде много се забавляваме.

Наистина вярвам, че най-високата продуктивност идва, когато се забавляваш.

Така и правим.

Това е. Много благодаря.

(Аплодисменти)