Dennis Hong: Az én hétféle robotom

A TEDxNASA-nál Dennis Hong bemutat hét díjnyertes, sokéltű robotot -- mint például a humanoid, futballozó DARwin-t, a hegymászó CLIMBeR-t -- melyeket csapatával a RoMeLa-nál (Virginia Tech) épített. A történet végén megtudhatjuk tőle laborja hihetetlen technikai sikereinek öt kreatív titkát.

Nos tehát, az első robot, amiről szó lesz, a STriDER.

Ez azt jelenti, hogy Öngerjesztésű,

Háromlábú, Dinamikus Kísérleti Robot.

Ez egy olyan robot, aminek három lába van,

aminek ötletét a természetből vettük.

De láttak már önök egyetlen állatot is,

aminek három lába lenne?

Valószínűleg nem. Akkor hát miért mondom, hogy

ez egy biológiai ötletre épülő robot? Hogyan működik?

Előtte azonban vessünk egy pillantást a popkultúrára!

Mindannyian ismerik Wells Világok háborúja című művét és a belőle készült filmet.

Amit itt látnak, az egy nagyon népszerű

videójáték.

A fantázia leírása szerint ezek az idegen teremtmények

háromlábú robotok, melyek megtámadják a Földet.

Az én robotom, a STriDER azonban nem így mozog.

Ez itt egy valódi dinamikus szimulációra épülő animáció.

Most megmutatom önöknek, hogyan működik a robot.

180 fokkal átbillenti a testét.

Egyik lábát átlendíti a másik kettő között, hogy ne essen el.

Tehát így sétál. Amikor azonban magunkat,

emberi lényeket figyeljük meg, két lábon járás közben,

látjuk, hogy valójában nem igazán használunk egy izmot sem

a lábunk felemeléséhez, hogy úgy járjunk, mint egy robot. Így van?

Valójában annyit teszünk, hogy lendítjük a lábunkat, és kivédjük az esést,

felállunk, lendítjük a lábunkat és kivédjük az esést.

Használjunk a beépített dinamikánkat, testünk fizikáját,

akárcsak egy ingát.

Ezt a koncepciót passzív dinamikus mozgásnak hívjuk.

Annyit teszünk mindössze amikor állunk, hogy

helyzeti energiát mozgási energiává alakítunk,

helyzeti energiát mozgási energiává alakítunk.

Ez egy állandó esések sorozata.

És, bár semmi hasonló nem létezik a természetben,

bennünket mégis a biológia inspirált

és adta az alapelvét e robot

mozgásának, tehát ez egy biológiai elvre épülő robot.

Amit itt látnak, az a következő, amit meg akarunk valósítani.

Össze akajuk hajtogatni a lábakat, hogy aztán kilőhessük őket a hosszabb hatótáv érdekében.

Ez itt lerakja a lábait, akárcsak a Star Wars-ban.

Földet éréskor elnyeli az ütközést, és járni kezd.

Amit itt látnak, ez a sárga dolog, ez nem egy halálos sugár.

Ez csak azt akarja mutatni, hogy ha van egy kameránk,

ami különböző féle érzékelőkből áll,

mivel ez magas, 1,8 m magas,

akkor átláthatunk a bokrok és más efféle akadályok fölött.

Két prototípusunk van tehát.

Ez az első változat itt hátul a STriDER I.

Ez a kisebb itt elöl a STriDER II.

A STriDER I-gyel az a probléma, hogy

a teste túlságosan nehéz volt. Olyan sok motorra volt szükség

például az ízületek és más effélék összehangolásához.

Ezért úgy döntöttünk, hogy összeállítunk egy mechanikai rendszert,

hogy megszabadulhassunk a motoroktól, és mindössze egyetlen motorral

képesek legyünk minden mozgást koordinálni.

Ez a probléma mechanikai megoldása, a mechatronikai megoldás helyett.

Így a felső test már elég könnyű ahhoz, hogy a laborban járni tudjon.

Ez volt a legelső sikeres lépés.

Ez persze még messze van a tökéletestől. Még kiborítaná a kávéját,

úgyhogy még rengeteg a tennivalónk.

A második robot, amiről beszélni szeretnék, az IMPASS.

Jelentése: Küllőrendszer-hajtású Intelligens Mobil Platform.

Ez tehát egy keréklábú hibrid robot.

Képzeljünk el egy abroncs nélküli,

vagy csak küllőkből álló kereket.

A küllők azonban egyedileg mozoghatnak a kerékagyban ki-be.

Ez tehát egy keréklábú hibrid.

Itt szó szerint újra feltaláltuk a kereket.

Hadd mutassam meg, hogyan működik.

Ezen a videón egy olyan megközelítést használunk,

amit úgy hívunk, hogy reaktív megközelítés.

Egyszerűen a lábain lévő tapintó szenzorokat használva,

próbál egy változó terepen haladni,

puha terepen kinyújtja őket, és vált.

És pusztán a tapintási információ alapján,

sikeresen halad végig ilyen terepeken.

Amikor azonban extrém terepre ér,

ebben az esetben például az akadály több mint háromszorosa

a robot magasságának.

Ekkor átkapcsol előrelátó módba,

amikor is egy lézeres keresőt

és egy kamerás rendszert használ az akadályok és méretük meghatározására

és megtervezi, alaposan megtervezi a küllők mozgását,

és úgy koordinálja, hogy az eredmény

ez a fajta, nagyon impresszív mobilitás legyen.

Önök még valószínűleg nem láttak ilyet.

Ez egy nagyon magas mobilitású robot,

amit kifejlesztettünk, a neve IMPASS.

Ó! Hát nem klassz?

Amikor autót vezetünk,

amikor kormányozunk, az úgy nevezett

Ackermann kormányzási módszert használjuk.

A két első kereket forgatjuk, valahogy így.

A legtöbb ilyen kis kerekű robotnál viszont

a differenciál-kormányzás módszerét használják,

ahol a bal és a jobb kerék ellenkező irányba forog.

Az IMPASS-nál sok-sok különböző mozgásformát tudunk létrehozni.

Például ebben az esetben, annak ellenére, hogy a bal és jobb kereket

egyetlen tengely köti össze, és azonos szögsebességgel forognak.

Egyszerűen megváltoztatjuk a küllő hosszát.

Ettől változik az átmérő, amitől aztán balra és jobbra fordul.

És ez csak néhány példa azokra a finom dolgokra,

amikre az IMPASS képes.

Ezt a robotot CLIMBeR-nek hívják.

Kábel-felfüggesztéses Lábakon járó, Intelligens Alkalmazkodó Robot.

Számos tudóssal beszéltem, akik a NASA JPL-nél dolgoznak,

a JPL-nél, ami híres Mars-járó rovereiről.

És a tudósok, geológusok mindig azt mondják nekem,

hogy az igazán érdekes tudomány,

a tudomány számára érdekes helyek mindig a szikláknál vannak.

A mai roverek azonban nem tudnak oda jutni.

Ez adta az ötletet egy olyan robot építéséhez,

ami képes átmászni egy tagolt, sziklás terepen.

Ez lett a CLIMBeR.

Van három lába. Valószínűleg nehezen látható,

de van egy csörlője és egy kábel a felső részén.

Igyekszik megkeresni a legjobb helyet, ahol megvetheti a lábát.

Aztán miután ezt megtalálta,

valós időben kiszámítja az erőeloszlást.

Hogy mekkora erőt kell kifejtenie a felületre,

hogy ne billenjen és ne is csússzon meg.

Mikor stabilizálta magát, felemeli egyik lábát,

aztán a csörlő segítségével fel tud mászni ilyen dolgokra.

Kutatási és mentési feladatokra is jól alkalmazható.

Öt évvel ezelőtt én magami is dolgoztam a NASA JPL-nél,

nyári gyakorlaton.

Nekik akkor már volt egy LEMUR nevű, hatlábú robotjuk.

Ez itt valójában annak alapján épült. A neve MARS,

mint Többszörös Felfüggesztésű Robotrendszer. Ez tehát egy hatlábú robot.

Kifejlesztettük a saját adaptív járástervezőnket.

Egy igazán nagyon érdekes terhet cipel.

A hallgatók szeretnek viccelődni. Itt jól látható, amint

egy strukturálatlan terepen keresztül sétál.

Megpróbál a durva felületen járni,

homokos felületen,

de a homok nedvességtartalmától és szemcseméretétől függően,

a lábak talajba süppedési modellje változik.

Így hát igyekszik járását úgy adaptálni, hogy sikeresen vegye ezeket az akadályokat.

És egyúttal valami vicceset is csinál.

Nagyon sok látogatót fogadunk laboratóriumunkban.

Amikor a látogatók érkeznek, MARS odamegy a számítógéphez,

és elkezdi írni "Helló, a nevem MARS."

Isten hozta önöket a RoMeLa-ban,

a Virginia Tech Robotmechanikai Laboratóriumában.

Ez itt egy amőba-robot.

Most nincs idő a technikai részletekre,

így csak néhány kísérletet fogok megmutatni.

Néhányat a korai megvalósíthatósági kísérletek közül.

A mozgáshoz szükséges potenciális energiát a rugalmas bőrben tároljuk.

Vagy pedig aktív rugalmas húrokat használunk az

előre-hátra mozgáshoz. A neve ChIMERA.

Dolgozik velünk néhány tudós

és mérnök a UPenn-től is,

hogy kifejlesszük ennek az amőba-robotnak

egy kémiai úton meghajtott változatát.

Csinálunk valamiből valamit.

És csodák csodája, mozog. A folt.

Ez itt az egyik legújabb projektünk. A neve RAPHaEL.

Elasztikus Ízületű Levegőhajtású Robotkéz.

Jelenleg egy csomó, kiváló, jó minőségű robotkéz van a piacon.

A gond csak az, hogy nagyon drágák, több tízezer dollárba kerülnek.

Ezért protézisként valószínűleg nem túl praktikusak,

mert csak kevesek számára megfizethetők.

Mi a problémát egy teljesen új irányból akartuk megközelíteni.

Elektromos motorok és elektromechanikus szerkezetek helyett,

sűrített levegőt használunk.

Kifejlesztettük ezeket az új fajta ízületi elemeket.

Könnyedén kezelhető. Az erőhatás módosítható

a levegő nyomásának egyszerű változtatásával.

Így akár egy üres üdítős palackot is képes összenyomni.

De akár egy törékeny nyers tojás megfogására,

vagy, mint ebben az esetben, egy lámpaizzó megtartására is képes.

És ami a legjobb benne, az első prototípus elkészítése mindössze 200 dollárba került.

Ez a robot a kígyórobotok családjába tartozik,

amit HyDRAS-nak hívunk,

Hipermagas Szabadságfokú Robotkígyó

Ez egy olyan robot, ami képes különböző struktúrákra felmászni.

Ez egy HyDRAS karja.

Ez egy 12 szabadsági fokú robotkar.

De a legizgalmasabb része a felhasználói felület.

Az a kábel ott egy optikai szál.

Ez a diák pedig, aki valószínűleg életében először használja,

képes különféle módon mozgatni.

Például, mint tudják, az iraki háborús zónában

gyakoriak az út menti bombák. Ezekre a helyekre jelenleg

távirányítású, karral rendelkező járműveket küldenek.

Rendkívül időigényes és költséges

kiképezni a kezelőket ennek a bonyolult karnak a használatára.

Esetünkben viszont ez igazán egyszerű.

A hallgató, aki ezt valószínűleg először használja, egy nagyon összetett manipulációs feladatot végez,

tárgyakat véve fel, és velük műveleteket végezve,

így, rendkívül intuitív módon.

Ez most az aktuális sztár-robotunk.

A DARwIn robotnak valódi rajongói klubja van.

Dinamikus Emberformájú Intelligens Robot.

Mint tudják, nagyon foglalkoztat bennünket

a humanoid robot, az emberi járás,

ezért úgy döntöttünk, hogy építünk egy emberforma robotot.

Ez 2004-ben történt, és ez akkoriban

valami nagyon-nagyon forradalmi dolognak számított.

Ez leginkább egy megvalósíthatósági tanulmány volt,

milyen motorokat használjunk?

Lehetséges ez egyáltalán? Milyen legyen a vezérlése?

Így hát nincs benne egyetlen érzékelő sem.

Open-loop (nyitott körű) vezérlésre épül.

Azoknak mondom, akik valószínűleg tudják, mi történik,

ha nincs egyetlen érzékelőnk sem, és valami zavaró körülmény lép fel.

(Nevetés)

Így hát erre a sikerre építve, a következő évben

elvégeztük az alapos mechanikai tervezési munkát,

a mozgástannal kezdve.

És végül DARwIn I. 2005-ben megszületett.

Képes felállni, Sétál. Nagyon látványos.

Azonban, ahogy láthatják,

a köldökzsinórja még megvan. Mivel még külső áramforrás,

és külső számítógép működteti.

Most pedig, 2006-ban itt az idő a mulatságra.

Adjunk neki intelligenciát! Adjunk meg neki minden számítási képességet, amire csak szüksége van.

1.5 gigahertz Pentium M chip,

két Firewire kamera, nyolc giroszkóp, gyorsulásmérő,

négy nyomatékszenzor a lábon, lítium-akkumulátorok.

És most már DARwIn II tökéletesen önálló.

Már nem távirányítású.

Nincs szükség pórázra. Körülnéz, keresi a labdát,

körülnéz, keresi a labdát, és megpróbál focizni,

önállóan, mesterséges intelligencia.

Lássuk, hogyan csinálja! Ez volt a legelső kísérletünk.

és... Videó: Gól!

Ez tehát egy valódi verseny, a neve RoboCup.

Nem tudom, hányan hallottak már a RoboCup-ról.

Ez az autonóm robotok nemzetközi futballbajnoksága.

A RoboCup valódi célja pedig,

a 2050-es évre

elérni, hogy emberi méretű, autonóm humanoid robotok

játsszanak mérkőzést az emberek világbajnok csapata ellen,

és győzzenek.

Ez egy valódi, igazi cél. Egy nagyon ambiciózus cél,

de hiszük benne, hogy képesek vagyunk elérni.

Ez itt tavaly történt Kínában.

Mi voltunk az első amerikai csapat, amelyik bejutott

a humanoid robotok versenyére.

Ez az idei esemény, a helyszín Ausztria.

Mindjárt látják az akciót, három a három ellen,

teljesen önállóan.

És már itt is van. Igen!

A robotok mozognak és játszanak.

csapatjátékot játszanak egymással.

Lenyűgöző. Ez egy kutatási esemény,

egy sokkal izgalmasabb sporteseménybe csomagolva.

Amit itt látnak, az a csodálatos

Louis Vuitton Kupa.

A legjobb humanoidok számára szervezik,

és mi első alkalommal el szeretnénk hozni az Egyesült Államokba

jövőre, úgyhogy kívánjanak nekünk szerencsét.

Köszönöm.

(Taps)

DARwIn számos egyéb dologban is tehetséges.

A múlt évben például a Roanoke szimfónikus zenekart vezényelte

egy ünnepi koncerten.

Ez itt a következő generációs robot, a DARwIn IV,

aki kisebb, gyorsabb, erősebb.

És éppen a képességeit igyekszik demonstrálni.

"Macho vagyok! Erős vagyok!"

Tudok néhány Jackie Chan-féle

küzdésformát is.

(Nevetés)

És most elmegy. Ez volt tehát DARwIn IV,

aki, ismétlem, megtekinthető az előcsarnokban.

Igazán hisszük, hogy ez lesz az első futó

humanoid robot az Államokban. Úgyhogy maradjanak velünk!

Nos hát, bemutattam önöknek néhány izgalmas robotunkat munka közben.

Mi tehát a sikerünk titka?

Honnan jönnek ezek az ötletek?

Hogyan dolgozzuk ki ezeket az ötleteket?

Van egy teljesen önjáró járművünk,

ami képes városi környezetben közlekedni. Félmillió dollárt nyertünk vele

a DARPA Városi Viadalon.

Miénk a világ első járműve,

amit vakok is vezethetnek.

A "vak sofőr próba" nevet adtuk neki, nagyon izgalmas,

és van még egy csomó robotikai projekt, amiről beszélni akarok.

Itt vannak például a díjak, amiket 2007 őszén nyertünk

különböző robotikai és egyéb versenyeken.

Valójában van öt titkunk.

Az első, hogy honnan származik az inspiráció,

honnan jönnek az isteni szikrák?

Ez egy valós történet, az én személyes történetem

Éjszakánként, amikor lefekszem, hajnali 3 és 4 között,

lecsukom a szememet, ezeket a vonalakat, köröket,

és különböző formákat látok magam körül lebegni,

amelyek összekapcsolódnak és ilyen mechanizmusokat alkotnak.

Azt gondolom: "Ez fantasztikus."

Az ágyam mellett mindig van egy jegyzetfüzet,

egy napló, egy speciális tollal, amin van egy LED-es lámpa,

mer nem akarom felkapcsolni a villanyt és felébreszteni a feleségemet.

Ezt, amit látok, azonnal leskiccelem, lerajzolom a dolgokat,

aztán elalszom.

Minden reggel

az első dolog, ami megelőzi az első csésze kávét,

és a fogmosást, hogy kinyitom a füzetet.

Elég gyakran üres,

sokszor összevisszaságok vannak benne,

de legtöbbször el sem tudom olvasni a saját kézírásomat.

De hát hajnali négykor mit várhat az ember magától?

Így aztán dekódolnom kell az írást.

Néha azonban zseniális ötleteket találok benne,

és Heuréka-érzésem van.

Azonnal a dolgozószobába rohanok, leülök a számítógép elé,

begépelem az ötleteket, felvázolom a dolgokat,

és egy adatbázisban gyűjtöm őket.

Amikor pedig megkapjuk ezeket a pályázati felhívásokat,

próbálom összevetni

a potenciális ötleteket

és a problémát, aztán ha sikerül párokat találni, akkor írunk egy kutatási pályázatot,

szerzünk hozzá anyagi támogatást, aztán kezdődhet a kutatási program.

A képzelet egy szikrája azonban önmagában nem elegendő.

Hogyan történik az ötletek kidolgozása?

Nálunk, a RoMeLa-nál, a Robotmechanizmusok Laboratóriumában,

fantasztikus brainstorming megbeszéléseket tartunk.

Összeülünk, beszélgetünk problémákról,

és társadalmi problémákról.

Mielőtt elkezdenénk azonban, rögzítjük ezt az aranyszabályt.

A szabály:

Senki nem kritizálja mások ötleteit.

Senki nem kritizál egyetlen véleményt sem.

Ez nagyon fontos, mert a hallgatók gyakran félnek,

vagy feszélyezettek amiatt, hogy vajon mit gondolnak a többiek

az ő véleményükről és gondolataikról.

Ha viszont így csináljuk, akkor csodálatos,

ahogy a hallgatók megnyílnak.

Őrülten eszement és brilliáns ötleteik vannak,

az egész szoba szinte vibrál a kreatív energiától.

Így fejlesztjük ki az ötleteinket.

Lassan kezdek kifutni az időből, de van még valami, amiről beszélni akarok,

mégpedig az, hogy egy kiváló ötlet és a kidolgozás nem elég.

Volt egy kiváló TED-előadás,

Sir Ken Robinson tartotta, azt hiszem.

Arról beszélt, hogyan öli meg az oktatás

és az iskola a kreativitást.

Valójában két oldala van a történetnek.

Annyi mindent tudunk kezdeni

pusztán zseniális ötletekkel,

kreativitással és jó mérnöki megérzéssel.

Ha a barkácsolásnál többre vágyunk,

ha a robotikát nem csak hobbiként akarjuk művelni,

és ha a robotika igazi nagy kihívásait keressük,

alapos és módszeres kutatás révén,

akkor ennél többre van szükség. És itt jön be az iskola.

Batman-nél, miközben a rosszfiúkkal harcol,

van egy szerszámkészlet, egy csáklyázóhorog,

egy csomó különféle hasznos eszköz.

Számunkra, robotikusk, mérnökök és tudósok számára

ezek a szerszámok a tanórák, tanfolyamok, kurzusok, amiket végigjárunk.

Matematika, differenciál-egyenletek.

Én most is tanulok algebrát, tudományt, fizikát,

kémiát és biológiát, amint látják.

Ezek azok a szerszámok, amikre szükségünk van.

A több szerszám, ami Batman számára azt jelenti,

hogy hatékonyabban tud harcolni a rosszfiúk ellen,

nekünk abban segít, hogy megküzdjünk ezekkel a súlyos problémákkal.

Az oktatás tehát rendkívül fontos.

Ez nem arról szól,

nem csak arról szól, hogy nagyon-nagyon keményen kell dolgozni.

Ezért mondom mindig a hallgatóimnak,

hogy dolgozzanak okosan, aztán dolgozzanak keményen.

Ez a kép itt a háttérben hajnali 3 körül készült.

Biztosíthatom önöket, hogy ha hajnali 3 és 4 között bejönnek a laborba,

találnak ott néhány hallgatót aki dolgozik,

és nem azért, mert én mondtam nekik, hanem azért, mert örömüket lelik benne.

És ezzel elértünk az utolsó témánkhoz.

Ne feledkezzük meg a saját szórakozásunkról!

Ez a sikerünk igazi titka. A sok-sok öröm, amiben részünk van.

Meggyőződésem, hogy az igazi termelékenység forrása, hogy élvezetet találjunk a munkában.

Ez tehát, amivel mi foglalkozunk.

Köszönöm a figyelmet.

Taps.