Мои семь видов роботов, и как мы их создали

В TEDxNASA, Дэннис Хонг представляет семь отмеченных наградами вездеходных роботов, таких как играющего в футбол гуманоида DARwIn или покорителя холмов CLIMBeR — всех построенных его командой в RoMeLa, Техническом колледже Верджинии. Просмотрите до конца, чтобы услышать пять творческих секретов невероятных технических успехов его лаборатории.

Первый робот, о котором я расскажу, называется STriDER.

Имя расшифровывается как Само-возбуждающийся

Трехногий Динамический Экспериментальный Робот.

Это робот, у которого есть три ноги,

идея чего взята у природы.

Но видели ли вы в природе

животное, у которого три ноги?

Скорее всего нет. Так почему же я

называю его созданным биологией роботом? Как он будет работать?

Но перед этим давайте посмотрим на поп-культуру.

Вы знаете книгу и фильм "Война Миров" Герберта Уэллса.

И то, что вы видите здесь - очень популярная

видео-игра.

В научной фантастике рассказывается, что эти инопланетные существа -

трехногие роботы, которые терроризируют Землю.

Но мой робот STriDER передвигается, не как они.

Это - анимация симуляции реального движения.

Я хочу показать вам, как этот робот функционирует.

Он переворачивает свое тело на 180 градусов,

и раскачивает одну ногу между двумя другими так, чтобы сделать шаг.

Вот, как он ходит. Но, если посмотреть на нас,

человеческих существ, передвигающихся на двух ногах,

ведь вы не особенно используете мускулы,

чтобы поднять вашу ногу и затем идти как робот. Верно?

Что вы реально делаете, так это раскачиваете ногу и делаете шаг,

начинаете снова двигаться, раскачиваете ногу и делаете шаг.

Вы используте встроенную динамику, физику вашего тела,

точно как маятник.

Мы называем это концепцией пассивно-динамического передвижения.

Что вы делаете когда начинаете движение,

потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию,

потенциальная энергия в кинетическую энергию.

Это процесс постоянного падения.

Хотя в природе нет ничего, что выглядит как это,

в действительности мы были вдохновлены биологией,

и, рассматривая принципы хождения

этого робота, можем утверждать, что он - робот, созданный биологией.

То, что вы здесь видите, это то, что мы хотим сделать следующим.

Мы хотим согнуть ноги робота и бросить его на большое расстояние.

Когда он распрямляет ноги, то выглядит как в Звездных Войнах.

При приземлении он амортизирует удар и начинает идти.

То, что вы здесь видите - эта желтая штука - это не луч смерти.

Это лишь для того, чтобы показать вам, что, если у вас есть камеры

или разные типы сенсоров

(ведь робот высокий, его высота 1,8 метров),

вы можете видеть через препятствия вроде кустов и прочих подобных вещей.

Так что у нас есть два прототипа.

Первая версия, позади, это STriDER I.

Тот, что спереди, по-меньше, это STriDER II.

У нас была проблема с STriDER I -

его тело было слишком тяжелым. У нас было очень много моторов,

вы представляете, выравнивание суставов и прочие подобные вещи,

Поэтому мы решили создать механизм

таким, чтобы избавиться от всех моторов, и с одним единственным мотором

координировать все движения.

Это механическое решение проблемы, вместо использования мехатроники.

Теперь корпус достаточно легок, чтобы ходить по лаборатории.

Это был самый первый успешный шаг.

Робот все еще не совершенен. Его кружка с кофе опрокидывается,

так что у нас еще много работы.

Второй робот, о котором я хочу поговорить, называется IMPASS.

Расшифровывается как Разумная Подвижная Платформа с Активной Системой Спиц.

Это колесный робот-гибрид.

Представьте колесо без обода

или колесо со спицами

Но спицы независимо друг от друга двигаются вo втулке.

Так что это колесный робот-гибрид.

Образно выражаясь, мы еще раз изобретаем колесо.

Позвольте продемонстрировать, как он работает.

В этом видео мы используем приближение

под названием реагирующее приближение.

Просто используя тактильные сенсоры на ногах,

робот пытается идти по изменяющемуся ландшафту,

по мягкой почве, которая продавливается и изменяется.

И всего лишь с помощью тактильной информации

он успешно пересекает такие типы ландшафта.

Но, когда он неожиданно встречает исключительный ландшафт,

а в этом случае препятствие более чем в три раза

выше робота,

тогда он переключается в обдумывающий режим,

в котором используется лазер, определяющий дистанцию

и системы камер, чтобы распознать препятствие и его размеры,

планирует, осторожно планирует движение спиц,

и координирует его так, чтобы показать такую

сильно впечатляющую мобильность.

Вы, скорее всего, никогда и нигде не видели что-либо подобное этому.

Это робот с очень высокой мобильностью,

что мы разработали, по имени IMPASS.

Ох! Не круто ли это?

Когда вы ведете вашу машину

когда вы управляете вашей машиной, вы используете метод,

называемый управлением Аккермана.

Передние колеса поворачиваются так.

Для большинства таких маленьких колесных роботов

используется метод под названием дифференциальное управление,

где левое и правое колеса вращаются в противоположных направлениях.

Для IMPASS, мы можем использовать очень много разных типов движения.

Например, в этом случае, не смотря на то, что левое и правое колеса присоединены

к одной оси, вращая на одной скорости,

мы можем просто изменять длину спицы.

Это влияет на диаметр, и тогда робот повернет налево, повернет направо.

Это всего лишь несколько примеров изящных трюков,

которых мы можем показать с IMPASS.

Этот робот называется CLIMBeR.

Кабельный Многоногий Разумный Робот Уравновешивающего Режима.

Я общался со многими учеными из NASA JPL,

в JPL, они знамениты марсианскими вездеходами,

и ученые, геологи постоянно мне говорят,

что по-настоящему интересные науке,

богатые для изучения области всегда на холмах.

Но сегодняшние вездеходы не могут туда добраться.

Так что, вдохновленные этим, мы захотели построить робота,

который может передвигаться по холмистой местности.

И это CLIMBeR.

У него есть три ноги. Это, скорее всего, трудно увидеть,

но у него есть лебёдка и трос сверху.

Он пытается найти лучшее место, куда поставить ногу.

И как только он его обнаруживает,

в режиме реального времени он вычисляет распределение силы,

сколько силы ему требуется, чтобы закрепиться на поверхности

так, чтобы не опрокинуться и не соскользнуть.

Как только он вычисляет это, он поднимает ногу,

и затем, с помощью лебедки, таким образом может взбираться наверх.

Также на поисковых и спасательных миссиях.

Пять лет назад, летом, я работал в NASA JPL

как стипендиат-исследователь,

и у них уже был шестиногий робот под названием LEMUR.

Наш был сделан по примеру LEMUR. Этот робот называется MARS.

Роботизированная Система для Различного Использования. Это шестиногий робот.

Мы разработали своего планировщика адаптированой походки.

У нас тут очень интересные изыскания.

Студенты любят повеселиться. И здесь, как вы можете видеть, робот

передвигается по неструктурированному ландшафту.

Он пытается идти по ненадежному ландшафту,

по песку,

но, в зависимости от влажности материала поверхности или размера песчинок,

способ погружения ног в почву меняется.

Робот пытается адаптировать свою походку для успешного прохождения таких типов препятствий.

Также он делает всякие забавные вещи. Как можно представить,

у нас очень много посетителей в лаборатории.

Так что, когда приходят гости, MARS подходит к компьютеру

и начинает печатать "Здравствуйте, меня зовут MARS".

Добро пожаловать в RoMeLa,

Лабораторию Роботизированных Механизмов Технического колледжа Верджинии."

Этот робот - робот-амеба.

Сейчас у нас нет времени, чтобы вдаваться в технические подробности,

поэтому я только покажу вам несколько экспериментов.

Это несколько из ранних экспериментов со способностями робота.

Мы запасаем потенциальную энергию в эластичной коже робота, чтобы заставить его двигаться,

или используем активизируемые шнуры натяжения, чтобы заставить его двигаться

вперед и назад. Он называется ChIMERA.

Мы также работаем с некоторыми учеными

и инженерами из UPenn,

чтобы создать химически возбудимую версию

этого робота-амебы.

Мы соединяем что-то с чем-то

и, словно по волшебству, он двигается. Мурашки по коже!

Этот робот совсем недавний проект. Он называется RAPHaEL.

Роботехническая Рука с Воздушным Силовым приводом с Эластичными Связками.

На рынке есть много действительно изящных, очень хороших роботехнических рук.

Проблема в том, что они слишком дорогие, десятки тысяч долларов.

Для использования в качестве протезов они, скорее всего, не слишком практичны,

так как финансово недоступны.

Мы хотели решить эту проблему с совершенно другой стороны.

Вместо использования электрических моторов, электромеханических силовых приводов,

мы используем сжатый воздух.

Мы разработали эти новые приводы для суставов.

Рука податлива. Вы можете регулировать силу,

просто изменяя давление воздуха.

И она в самом деле может раздавить пустую банку из-под соды.

Она может брать очень хрупкие предметы вроде сырого яйца,

или, в этом случае, лампочки.

А самое хорошее, что потребовалось всего 200$, чтобы создать первый прототип.

Этот робот, на самом деле, семья роботов-змей,

которую мы называем HyDRAS.

Роботехнический Шарнирный Змеевик с Гипер-Степенями свободы.

Это - робот, который может взбираться на сооружения.

Это рука HyDRAS.

Это роботехническая рука с 12-ю степенями свободы.

Но самая интересная часть - это пользовательский интерфейс.

Тот кабель, это оптоволокно.

Эта студентка, скорее всего, в первый раз управляет роботом,

но она может артикулировать свободно.

Так, например, в Ираке, ну, вы знаете, в зоне боевых действий,

есть мины на дорогах. В настоящее время вы бы послали

удаленно управляемые бронированные устройства.

Это требует действительно много времени и денег,

чтобы научить оператора управлять этой сложной рукой.

В этом случае это происходит интуитивно.

Этот студент, скорее всего, в первый раз управляющий роботом, выполняет очень сложную задачу по манипулированию,

беря предметы и производя манипуляцию

вот так, совершенно интуитивно.

Этот робот в настоящее время - наш звездный робот.

У нас в самом деле есть фан-клуб робота DARwIn,

Подвижного Человекоподобного Робота С Интеллектом.

Как вы знаете, мы очень заинтересованы в

гуманоидных роботах, ходящих по-человечески,

так что мы решили построить маленького гуманоидного робота.

Это было в 2004, в то время

это было что-то очень-очень революционное.

Это было скорее изучение возможностей,

какие моторы нам следует использовать?

Возможно ли это вообще? Что за средства управления должны мы создать?

Этот не имеет никаких сенсоров,

поэтому он управляется с разомкнутой петлей.

Для тех из вас, кто знает, что, если у вас нету никаких сенсоров

и есть помехи, сами знаете, что случается.

(Смех)

Базируясь на этом опыте, на следующий год

мы создали правильный механический дизайн,

правильный уже движениями.

Таким образом, DARwIn I был рожден в 2005-ом.

Он встает. Он ходит, очень впечатляюще.

Несмотря на это, как вы можете видеть,

у него все еще есть шнур, пуповина, мы все еще используем внешний источник питания

и внешнюю связь.

И вот, в 2006-ом, пришло время действительно повеселиться.

Давайте дадим ему разум. Мы дадим ему всю компьютерную мощность, которая ему требуется,

чип Пентиум М 1.5 ГГц,

две Firewire-камеры, восемь гироскопов, акселерометр,

пять вращающихся сенсоров на ногах, литиумные батареи.

И теперь DARwIn II полностью автономен.

Он не управляется удаленно.

На нем нет оков. Он осматривается, ищет мяч,

осматривается, ищет мяч, и пытается играть в игру футбол,

самостоятельно, искусственный интеллект.

Давайте посмотрим, как у него получается. Это было наше самое первое испытание,

и... Видео: Гол!

На самом деле существует соревнование под названием RoboCup.

Я не знаю, как много из вас слышали о RoboCup.

Это международное футбольное соревнование автономных роботов.

И цель RoboCup, реальная цель, это,

к 2050-ому году

мы хотим иметь полноразмерных автономных гуманоидных роботов,

которые будут играть в футбол против чемпионов человеческого Чемпионата Мира

и выигрывать.

Это настоящая реальная цель. Это очень амбициозная цель,

но мы вправду верим, что можем это сделать.

Это - прошлый год, в Китае.

Мы были самой первой командой в США, которая получила право участвовать

в соревновании гуманоидных роботов.

Это текущий год, это было в Австрии.

Сейчас вы увидите игру трех против трех,

совершенно автономных.

Поехали. Да!

Роботы находят общий язык, и они играют,

команды играют друг с другом.

Это очень впечатляюще. Это действительно исследовательское мероприятие,

заключенное в еще более захватывающем соревновательном мероприятии.

То, что вы здесь видите, это прекрасный

трофей Чемпионата Луи Виттона.

Вручается за лучшего гуманоида,

и мы хотели бы первыми привезти его в США

в следующем году, так что пожелайте нам удачи.

Спасибо.

(Апплодисменты)

У DARwIn есть также много других талантов.

В прошлом году он по-настоящему дирижировал оркестром Roanok Symphony

на праздничном концерте.

Это робот следующего поколения, DARwIn IV,

более умный, быстрый, сильный.

И он пытается показать свою ловкость.

"Я мачо, я силен.

Я могу также делать некоторые приемы

боевых искусств Джеки Чана!"

(Смех)

И он уходит. Это DARwIn IV,

как я уже говорил, вы сможете увидеть его в фойе.

Мы в самом деле верим, что это будет самый первый бегающий

робот-гуманоид в Соединенных Штатах. Так что следите за новостями.

Итак, я показал вам некоторых из наших существующих роботов в действии.

Так в чем же секрет нашего успеха?

Откуда мы берем эти идеи?

Как мы разрабатываем такие идеи?

У нас есть полностью автономное транспортное средство,

которое может ездить в городской среде. Мы выиграли полмиллиона долларов

в Городском Турнире DARPA.

У нас также есть самое первое в мире

транспортное средство, которое может управляться слепыми.

Мы называем его вызовом слепому водителю, и это очень захватывающе,

как и большое количество других робототехнических проектов, о которых я хотел бы рассказать.

Эти только те награды которые мы завоевали в 2007 году

на соревнованиях роботов и прочих подобных мероприятиях.

Так вот, на самом деле, у нас есть пять секретов.

Первый - это откуда мы берем вдохновение,

где мы получаем эту искру воображения?

Это реальная история, моя личная история.

Ночью, когда я иду спать, в 3 или 4 часа утра,

я ложусь, закрываю глаза и вижу все эти линии и круги

и разные фигуры, парящие вокруг,

и они комбинируются, и они формируют такие типы механизмов.

И тогда я думаю: "О, это круто!"

Рядом с кроватью я оставляю тетрадь,

журнал со специальной ручкой с фонариком, светодиодом,

ведь я не хочу включать свет и будить мою жену.

И вот, когда я вижу те фигуры, то быстро все записываю, зарисовываю,

и уже тогда иду спать.

Каждый день с утра

первое, что я делаю перед моей первой чашкой кофе,

перед тем, как я чищу зубы - я открываю свою тетрадь.

Часто она пуста,

иногда там что-то есть, иногда это мусор,

а в большинстве случаев я даже не могу прочитать свой почерк.

А чего вы ожидали в 4 часа утра?

Мне приходится просто расшифровывать, что я написал.

Но иногда я вижу там оригинальную идею,

и меня озаряет.

Я бегу прямо в мой домашний кабинет, сажусь за компьютер,

я записываю идеи, делаю наброски

и сохраняю в свою базу данных идей.

И, когда у нас возникает нужда в предложениях,

я пытаюсь найти связь между моими

потенциальными идеями

и проблемой. Если такая связь есть, мы пишем план исследования,

получаем спонсирование для исследования. Вот, как мы начинаем наши исследовательские программы.

Но только искры воображения недостаточно.

Как же мы разрабатываем такие идеи?

В нашей лаборатории RoMeLa, Лаборатории Робототехнических Механизмов,

у нас проходят фантастические сессии мозгового штурма.

Мы собираемся вместе и обсуждаем проблемы

и социальные проблемы и говорим о них.

Но, перед тем как начать, мы устанавливаем золотое правило.

Вот оно:

Никто не критикует ничьи идеи.

Никто не критикует ничьи мнения.

Это важно, потому что очень часто студенты, они боятся

или чувствуют неуютно из-за того, что другие могут подумать

об их мнениях или мыслях.

И как только вводится это правило, поразительно,

как раскрываются студенты.

Мы получаем эксцентричные, крутые, сумасшедшие, гениальные идеи,

вся комната просто наэлектризована творческой энергией!

Вот так мы разрабатываем наши идеи.

Итак, у нас кончается время, и еще одна вещь, о которой я хотел бы поговорить, это то,

что, как вы знаете, только идеи и ее разработки все-таки недостаточно.

Был очень хороший разговор в TED,

мне кажется, это был сэр Кен Робинсон,

он вел разговор о том, как обучение

и школа убивают творчество.

Так вот, на самом деле, у этой темы есть две стороны.

Есть предел тому, как много один человек может сделать

с всего лишь оригинальными идеями

и креативностью и хорошой инженерной интуицией.

Если вы хотите выйти за пределы дилетанства

и занятий робототехникой лишь как увлечением

и дать бой действительно великим загадкам робототехники

посредством скурпулезных исследований,

нам нужно нечто большее. И здесь подключается школа.

Бэтмен, сражающийся против плохих парней,

у него есть супер-пояс, у него есть его цепкая веревка с крюком,

есть другие всевозможные гаджеты.

Для нас, роботехников, инженеров и ученых,

такие вещи и есть курсы обучения, которые получаются в классе.

Математика, дифференциальные уравнения,

Я использую линейную алгебру, науку, физику,

даже в сегодняшние дни - химию и биологию, как вы уже видели.

Это - все те вещи, что нам нужны.

Чем больше таких инструментов есть, тем Бэтмен

эффективней сражается с плохими парнями,

и тем легче нам бросать вызов серьезным проблемам.

Так что образование очень важно.

И главное даже не в этом,

а в том, что вам также нужно очень много работать.

Я всегда говорю своим студентам:

"Сначала работайте с умом, а затем работайте упорно."

Это изображение позади, это три часа утра.

Я гарантирую, если вы придете в лабораторию в 3, 4 часа утра,

там будут наши работающие студенты,

и работающие не потому, что я им сказал, а потому что работают в свое удовольствие.

Что ведет к следующей теме.

Не забывайте об удовольствии!

Это действительно секрет нашего успеха - мы получаем много удовольствия.

Я в самом деле верю, что самая высокая производительность появляется, когда тебе хорошо.

И это и есть то, чем мы занимаемся.

Вот и все. Спасибо вам больше.

(Аплодисменты)