Dennis Hong: Mých sedm druhů robota

Na TEDxNASA představil Dennis Hong sedm oceněných robotů pro všechny typy terénů, jako například humanoidního robota schopného hrát fotbal jménem DARwIn či horolezeckého CLIMBeR. Všechny vyrobil jeho tým v laboratoři RoMeLa na Virginia Tech. Podívejte se až do konce, kde uslyšíte pět kreativních tajemství, které přivedly jeho laboratoř k neuvěřitelnému technickému úspěchu.

Takže, první robot, o kterém budu mluvit, se jmenuje STriDER.

Je to zkratka pro Samobudivý

Třínohý Dynamický Experimentální Robot.

Je to robot, který má tři nohy,

je inspirovaný přírodou.

Ale viděli jste něco v přírodě,

zvíře, které má tři nohy?

Pravděpodobně ne. Tak proč jej označuji

jako biologicky inspirovaného robota? Jak je to možné?

Ale předtím se pojďme podívat do populární kultury.

Znáte "Válku světů“ H. G. Wellse, román a film.

A co vidíte tady, je velmi populární

počítačová hra.

V této fikci popisují mimozemská stvoření,

roboty mající tři nohy, kteří terorizují Zemi.

Ale můj robot, STriDER, se jako oni nepohybuje.

Takže toto je animace skutečné dynamické simulace.

Chci vám ukázat, jak robot pracuje.

Otáčí své tělo o 180 stupňů,

a švihá třetí nohou mezi dvěma nohama a tím zabraňuje pádu.

Tedy takto pracuje. Ale když se podíváte na nás,

lidské bytosti, dvounohou chůzi,

tak ve skutečnosti nepoužíváte svaly

ke zvednutí nohy, jako to dělá robot. Správně?

Co skutečně děláte, je, že švihnete svou nohou a zabráníte pádu,

znovu se postavíte, švihnete nohou a zabráníte pádu.

Používáte své zabudované dynamiky, fyziky svého těla,

stejně jako kyvadlo.

Nazýváme to konceptem pasivní dynamické lokomoce.

To, co děláte, je, když se postavíte,

přeměníte potenciální energii na kinetickou energii,

potenciální energii na kinetickou energii.

Je to proces neustálého padání.

Takže, ačkoli v přírodě není nic, co by vypadalo jako toto,

ve skutečnosti jsme byli inspirováni biologií

a aplikovali jsme principy chůze

na tohoto robota. Tedy je biologicky inspirovaným robotem.

Co vidíte tady, je to, co chceme dělat dále.

Chceme nohy složit a vymrštit je tak, abychom dosáhli pohybu na dlouhé vzdálenosti.

A to vyžaduje takové nohy -- vypadá to skoro jako z "Hvězdných válek“ --

které při přistání absorbují náraz a dovolí chodit.

Co vidíte tady, tuto žlutou věc, to není paprsek smrti. (Smích)

Slouží to jenom k předvedení toho, že když máte kamery

anebo jiné typy senzorů --

protože je vysoký, měří na výšku 1, 8 metru --

můžete vidět přes překážky jako jsou keře a podobně.

Máme dva prototypy.

První verze, vzadu, to je STriDER I.

Ten vepředu, ten menší, je STriDER II.

Problém, který jsme měli se STriDERem I, byl,

že měl příliš těžký trup. Měli jsme příliš mnoho motorů,

víte, pro vyrovnávání kloubů a podobně.

A tak jsme se rozhodli spojit pohyblivý mechanismus tak,

abychom se vyhnuli všem těmto motorům, a tak jen s jedním motorem

mohli koordinovat všechny pohyby.

Je to mechanické řešení problému namísto mechatronického.

Díky tomuto je nyní trup dostatečně lehký. Takže chodí v naší laboratoři.

Toto byl úplně první úspěšný krok.

Stále není úplně vyladěný, stále ještě padá,

takže stále s ním máme dost práce.

Druhým robotem, o kterém chci povídat, je IMPASS.

Je to anglická zkratka pro Inteligentní Mobilní Platforma se Systémem Pohyblivých Špic.

Je to robot, který kombinuje kola a nohy.

Představte si kolo bez ráfku,

jen samotné špice na středové ose,

ale špice se pohybují samostatně dovnitř a ven ve středové ose,

takže jde o kombinaci kola a nohou.

Zde doslova znovu vynalézáme kolo.

Dovolte mi demonstrovat, jak pracuje.

V tomto videu používáme přístup

zvaný reaktivní přístup.

Jednoduše používá dotykové senzory na noze,

snaží se jít přes měnící se terén,

měkký terén, který se mění, když na něj zatlačí.

A čistě jen díky dotykové informaci

úspěšně přejde přes tento typ terénu.

Ale když narazí na velmi extrémní terén,

jako v tomto případě, kdy je překážka více než třikrát vyšší

než robot,

pak se přepne do obezřetného módu,

ve kterém používá laserový dálkoměr

a kamerové systémy, aby poznal překážku a její velikost,

a naplánoval, pečlivě naplánoval pohyb špic

jejich koordinaci, takže díky tomu může předvádět

tento druh velice velice působivé mobility.

Pravděpodobně jste neviděli nic podobného.

Toto je vysoce mobilní robot,

kterého jsme vyvinuli, jmenuje se IMPASS.

No není skvělý?

Když řídíte auto,

když zatáčíte, používáte metodu

zvanou Ackermannovo řízení.

Přední kola se otáčejí takhle.

Pro většinu malých kolových robotů

se používá metoda zvaná diferenciální řízení,

kde se levé a pravé kolo točí opačným směrem.

IMPASS se dokáže pohybovat různými typy pohybů.

Například, v tomto případě, i když levé a pravé kolo je spojeno

jednou osou a otáčejí se stejnou úhlovou rychlostí,

jednoduše jenom změníme délku špice.

To ovlivní průměr a pak může zatočit doleva, či doprava.

Takže toto jsou jen nějaké příklady věcí,

které můžeme s IMPASSem dělat.

Tento robot se jmenuje CLIMBeR:

anglická zkratka pro Lanově Zavěšený Robot Inteligentně Pohybující Končetinami.

Mluvil jsem s mnoha vědci z NASA JPL (Laboratoř proudového pohonu)

-- JPL je známé především díky vozítkám pro Mars --

a vědci, geologové mi vždy říkají,

že opravdu vědecky zajímavé,

pro vědu nejzajímavější místa, jsou vždy útesy.

Ale současná vozítka se tam nedostanou.

Takže inspirováni touto potřebou jsme chtěli postavit robota,

který dokáže šplhat po komplikovaných prostředích útesů.

Tedy toto je CLIMBeR.

Jak tedy pracuje, když má tři nohy. Jde to patrně špatně vidět,

ale má nahoře naviják a lanko --

a snaží se najít nejlepší místo, kam umístit nohu.

A pak, když na to přijde,

v reálném čase vypočítá rozložení sil:

kolik síly potřebuje na povrch vyvíjet,

aby neuklouzl.

Jakmile toto vyřeší, zvedne nohu,

a pak díky navijáku může šplhat po podobných místech.

Rovněž je vhodný jako robot pro pátrací a záchranné akce.

Před pěti lety jsem pracoval v Laboratoři proudového pohonu (NASA JPL)

během léta jako výzkumník na fakultě.

Měli už šestinohého robota jménem LEMUR.

Tento z něj vychází. Tento robot je nazvaný MARS:

MnohaKončetinový Robotický Systém. Je to šestinohý robot.

Vyvinuli jsme přizpůsobivý plánovač chůze.

Tady na něm máme velice zajímavý náklad.

Studenti mají rádi legraci. A tady můžete vidět,

že se pohybuje přes neupravený terén.

Snaží se jít přes hrbolatý terén,

písečnou oblast,

ale v závislosti na vlhkosti a zrnitosti písku

se mu boří nohy do písku.

A tak se snaží přizpůsobit chůzi, aby úspěšně prošel.

A jak si dovedete představit, provádí přitom legrační věci.

Naši laboratoř navštěvuje mnoho návštěvníků.

A když nějaký návštěvník přijde, MARS vyleze k počítači

a začne psát: "Ahoj, mé jméno je MARS.

Vítejte v RoMeLa,

Laboratoři Robotických Mechanismů na Virginia Tech.“

Toto je robot měňavka.

Nemáme teď čas, abychom šli do technických podrobností,

takže vám jen ukáži nějaké experimenty.

Toto je jeden z prvních provedených experimentů.

Uložili jsme potenciální energii do elastické kůže, aby se mohl pohybovat.

Nebo používáme pružiny pro pohyb

dopředu a dozadu. Jmenuje se ChIMERA.

Rovněž jsme pracovali s pár vědci

a inženýry z Pennsylvánské univerzity,

se kterými jsme dospěli k chemicky poháněné verzi

tohoto měňavkovitého robota.

Něco uděláme

a skoro jako zázrakem se pohne. Sliz.

Tento robot je velmi nedávný projekt. Jmenuje se RAPHaEL.

Robotická Vzduchem Poháněná Ruka s Elastickými Vazy.

Na trhu existuje mnoho opravdu povedených a velmi dobrých robotických ruk.

Problémem je, že jsou příliš drahé, desítky tisíc dolarů.

Pro protetické použití to pravděpodobně příliš praktické není,

protože nejsou dostupné.

Snažili jsme se tento problém vyřešit velmi odlišným způsobem.

Namísto použití elektrických motorů a elektromechanických ovladačů,

jsme užili stlačený vzduch.

Vyvinuli jsme nové ovladače kloubů.

Jsou vyhovující. Můžete měnit sílu

jednoduše změnou tlaku vzduchu.

Dovede zmačkat prázdnou plechovku limonády.

Dovede zvednout velmi křehké objekty, jako syrové vajíčko,

či v tomto případě žárovku.

A to nejlepší na něm je, že postavení prototypu stálo pouze 200 dolarů.

Tento robot je z rodiny hadovitých robotů,

nazýváme ho HyDRAS.

Znamená to: Robotická Kloubová Stočenina s Vysokým Stupněm volnosti.

Jde o robota, který dovede šplhat.

Toto je ruka HyDRASu.

Je to robotická ruka s 12 stupni volnosti.

Ale ta skvělá část je uživatelské rozhraní.

Tento kabel je optické vlákno.

A tato studentka, používá to zřejmě poprvé,

ale dovede tím pohybovat mnoha různými způsoby.

Takže na příklad v Iráku, jak víte, válečné zóně,

jsou výbušniny na cestách. V současnosti se používají

k jejich zneškodnění dálkově ovládaná vozidla s rukama.

Zabere to opravdu hodně času a zároveň je drahé

vyškolit operátora k ovládání složité ruky.

V našem případě je to velice intuitivní.

Tento student, i když ji pravděpodobně používá poprvé, dělá velmi složité manipulační úkony,

zvedá předměty a manipuluje s nimi,

jak vidíte. Velmi intuitivní.

A nyní, toto je v současnosti náš vlajkový robot.

Máme dokonce fan klub tohoto robota. DARwIn:

Dynamický Antropomorfní Robot s Inteligencí.

Jak víte, velice se zajímáme

o humanoidní roboty, lidskou chůzi,

a tak jsme se rozhodli postavit malého humanoidního robota.

Bylo to v roce 2004.

Tehdy to bylo něco opravdu revolučního.

Byla to spíše studie o proveditelnosti:

Jaké typy motorů bychom měli použít?

Je to vůbec možné? Jaké druhy ovládání použít?

Tento nemá žádné senzory.

Je to robot bez zpětné vazby.

Pro ty, kteří možná ví, pokud nemáte žádné senzory

a v okolí jsou nějaké překážky, víte, co se stane.

(Smích)

Po tomto úspěchu jsme následující rok

udělali vlastní mechanický návrh

začínající kinematikou.

A tak se v roce 2005 narodil DARwIn I.

Postaví se, chodí -- velmi působivé.

Avšak stále, jak můžete vidět,

má kabel, pupeční šňůru. Stále používáme externí pohonný zdroj

a externí výpočty.

V roce 2006 byl čas na trochu zábavy.

Dejme mu inteligenci. Dáme mu všechnu výpočetní sílu, kterou potřebuje:

1, 5 GHz Pentium M mikroprocesor,

dvě Fire Wire kamery, gyroskopy, akcelerometry,

čtyři senzory sil na nohou, lithium-polymerové baterie.

A DARwIn II je kompletně samostatný.

Není dálkově ovládaný.

Není na žádných řetězech. Rozhlíží se kolem sebe, hledá míč,

rozhlíží se, hledá míč, a snaží se hrát fotbal.

Samostatně: umělá inteligence.

Podívejme se, jak to dělá. Tohle byl úplně první pokus.

A ... Diváci (Video): Gól!

Dennis Hong: Existuje soutěž jménem RoboCup.

Nevím, kolik z vás o ní slyšelo.

Je to mezinárodní soutěž autonomních robotů ve fotbale.

A cíl RoboCupu, skutečný cíl je,

abychom v roce 2050

měli autonomní humanoidní roboty ve velikosti člověka,

kteří budou hrát Mistrovství světa ve fotbale proti lidem,

a vyhrají.

Je to opravdu skutečný cíl. Je to velice ambiciózní cíl,

ale věříme, že to dokážeme.

Tohle je loňský ročník v Číně.

Byli jsme úplně první tým ze Spojených států, který se kvalifikoval

v soutěži RoboCup humanoidních robotů.

Tento rok se soutěž koná v Rakousku.

Tady máte možnost vidět hru, tři proti třem,

zcela samostatně.

Hrají. Ano!

Roboti hru sledují a týmově

hrají proti sobě.

Je to velice působivé. A ve skutečnosti to je výzkum

zabalený v mnohem více vzrušujícím soutěžním utkání.

Tady vidíte krásný

pohár Louis Vuitton Cup.

Je pro nejlepšího humanoida,

a my bychom jej velice rádi poprvé přivezli do Spojených států

příští rok, tak nám držte palce.

(Potlesk)

Děkuji.

DARwIn má rovněž hodně jiných dovedností.

V loňském roce dirigoval Symfonický orchestr Roanoke

během prázdninových koncertů.

Toto je další generace robota, DARwIn IV,

je chytřejší, rychlejší, silnější.

A snaží se předvést své schopnosti:

"Jsem frajer, jsem silný.

Dovedu provádět pohyby jako Jackie Chan,

pohyby z bojových umění."

(Smích)

A teď odchází. Takže toto je DARwIn IV.

Opět jej budete moci vidět v hale.

Plně věříme, že bude úplně prvním běhajícím

humanoidním robotem ve Spojených státech. Takže se můžete těšit.

Dobře. Takže jsem vám ukázal některé z našich úžasných robotů v praxi.

Takže co je tajemstvím našeho úspěchu?

Odkud jsme přišli k těmto nápadům?

Jak rozvíjíme tyto druhy nápadů?

Máme plně autonomní vozidlo,

které dovede jezdit v městských prostředích. Vyhráli jsme půl milionu dolarů

v DARPA Urban Challenge.

Rovněž máme světově první vozidlo,

které mohou řídit slepí.

Nazýváme jej Blind Driver Challenge, je to hodně vzrušující.

A mnoho mnoho dalších robotických projektů, o kterých chci mluvit.

Tohle jsou ceny, které jsme získali na podzim 2007

na soutěžích v robotice a podobných záležitostech.

Ve skutečnosti máme pět tajemství.

První je: Kde získáváme inspiraci?

Kde získáváme tyto záblesky představ?

Toto je pravdivý příběh, můj osobní příběh.

V noci, když jdu spát, kolem třetí či čtvrté hodiny ráno,

lehnu si, zavřu oči a kolem mě se prohánějí křivky a kruhy

a nejrůznější tvary.

A ty se skládají, čímž utváří tyhle druhy mechanismů.

A tuhle si pomyslím: "Tohle je skvělé!“

A tak vedle postele mám sešit

se speciálním perem, které má zabudované světlo, LED diodu,

protože nechci zapínat světlo, abych nevzbudil manželku.

Takže, vše, co mě napadne, si načmárám, nakreslím,

pak jdu spát.

Každý den ráno

první věc, kterou udělám předtím, než si dám šálek kávy

a než si vyčistím zuby, je, že otevřu svůj sešit.

Častokrát je prázdný,

občas v něm něco mám -- pokud v něm něco je, občas to je brak --

ale nejčastěji se stává, že to po sobě nedokážu přečíst.

Ale tak co byste čekali ve čtyři ráno, že?

A tak potřebuji rozluštit, co jsem si zapsal.

Ale občas v tom vidím geniální nápad,

a tak mám přesně ten heuréka okamžik.

Utíkám přímo do své domácí kanceláře posadit se před počítač,

procházím myšlenkami, načrtávám nápady

a ukládám je do databáze nápadů.

Tak když máme výzvy k předkládání návrhů,

snažím se nalézt spojitost mezi

svými nápady

a problémem. Je-li shoda, vypíšeme návrh na výzkumný projekt,

dostaneme financování výzkumu, a tak začneme náš výzkumný program.

Ale jen záblesk nápadu nestačí.

Jak rozvíjíme tyto druhy nápadů?

V naší laboratoři RoMeLa, Laboratoři Robotických Mechanismů,

máme úžasná brainstormingová setkání.

Sejdeme se, diskutujeme o problémech

a společenských problémech a mluvíme o tom všem.

Ale předtím než začneme, ustanovíme zlaté pravidlo.

Pravidlo zní:

Nikdo nekritizuje nápady druhých.

Nikdo nekritizuje ničí názor.

Toto je důležité, protože mnohokrát mají studenti strach,

anebo jim není příjemné to, jak budou o jejich názorech a myšlenkách

přemýšlet jiní.

Když to jednou uděláte, je fascinující,

jak se studenti rozhovoří.

Mají bláznivé, úžasné, střelené, hluboké myšlenky,

a celá místnost je tak elektrizována kreativní energií.

A takto my rozvíjíme své nápady.

Nuže, už nám dochází čas. Ještě jedna věc, o které chci mluvit, je,

víte, že pouhý záblesk nápadu a jeho rozvoj nestačí.

Byl zde na TED úžasný moment,

myslím, že to byl pan Ken Robinson.

Mluvil o tom, jak vzdělání

a škola zabíjejí kreativitu.

Nuže, ve skutečnosti jsou zde dvě strany této mince.

Nelze všechno udělat jen

s geniálním nápadem,

kreativitou a dobrou inženýrskou intuicí.

Jestliže chcete jít dál za pouhé bastlení,

jestliže chcete jít za zálibu v robotice,

a skutečně se utkat s těmi největšími výzvami robotiky

prostřednictvím přísného výzkumu,

pak potřebujeme více než toto. A to je místem, kde přichází škola ke slovu.

Batman, který bojuje proti zločincům,

má svůj úžasný opasek s nástroji, má záchytný hák,

má nejrůznější typy vychytávek.

Pro nás robotiky, inženýry a vědce

jsou tyto věci zadáními, kterými se zabýváme v našich kurzech na školách.

Matematika, diferenciální rovnice.

Mám lineární algebru, vědu, fyziku,

v současnosti i chemii a biologii, jak jste sami viděli.

Tohle všechno jsou nástroje, které potřebujeme.

Takže čím více věcí Batman má,

tím efektivnější je jeho boj se zločinci,

tak i pro nás, více nástrojů slouží k lepšímu boji s těžkými problémy.

Takže vzdělání je velice důležité.

Ale není to o tomto,

jenom o tomto. Musíte také pracovat opravdu, ale opravdu tvrdě.

A tak vždy svým studentům říkám:

"Pracuj chytře, pak pracuj tvrdě.“

Tento obrázek vzadu byl pořízen ve 3 hodiny po půlnoci.

Zaručuji vám, že když přijdete do naší laboratoře mezi třetí a čtvrtou hodinou ráno,

narazíte zde na pracující studenty.

Nikoli proto, že bych jim to nařídil, ale proto, že nás to opravdu hodně baví.

Což vede k poslednímu tématu:

Nezapomínejte se bavit.

Tohle je skutečným tajemstvím našeho úspěchu, užíváme si mnoho legrace.

Opravdu jsem přesvědčen, že nejvyšší produktivita přichází, když se bavíte,

a to my děláme.

Tak vidíte. Mockrát vám děkuji.

(Potlesk)