Vijay Kumar: Robotët që fluturojnë .. dhe bashkëveprojnë

Mirëdita. Jam sot këtu për të folur rreth topave të plazhit fluturues dhe autonomë. Jo, robota të shkathët ajror si ky. Dëshiroj t'ju tregoj diçka rreth sfidave në ndërtimin e këtyre dhe disa mundësive të hatashme për aplikimin e kësaj teknologjie. Pra këta robotë janë të afërm me mejetet ajrorë të komanduar nga larg Sidoqoftë, mjetet që shihni këtu janë të mëdhej. Ato peshojnë disa tonë, nuk janë me çdo kusht të shkathëta. Madje nuk janë as autonome. Faktikisht, shumica e këtyre makinave operohen nga ekipe fluturimi të cilat mund të përfshijnë shumë pilotë operues të sensorëve dhe kordinues misionesh.

Ato që ne jemi të interesuar janë zhvillimi i robotëve të tillë si ky -- dhe këtu janë edhe dy fotografi të tjera -- të robotëve të cilët mund ti blesh në dyqan. Pra këta janë helikopterë me katër rotorë dha janë përafërsisht një metër të mëdhej dhe peshojnë disa kilogramë. Dhe kështu ne i shtuam atyre sensorë dhe procesorë, dhe këta robotë mund të fluturojnë në ambiente të brendshëm pa GPS ( Sistem të Pozicionimit Global).

Roboti që po mbaj në dorë është ky, dhe është krijuar nga dy studentë, Alex dhe Daniel. Pra ky peshon më pak se 50 gr? Konsumon rreth 15 watt energji elektrike. Dhe siç mund ta shihni, ka rreth 20 cm diametër. Pra më lejoni t'ju jap një udhëzim të shpejtë se si këta robotë punojnë.

Pra ka katër rotorë. Nëse i vërtit këta rotorë në të njejten shpejtësi, roboti rri pezull. Nëse e rrisni shpejtësinë e secilit prej këtyre rotorëve, pastaj roboti fluturon lart, përshpejton. Sigurishtë, nëse roboti ishte anësuar horizontalisht atëherë do të përshpejtojë në atë drejtim. Pra për ta anuar atë, janë një ose dy mënyra për ta berë. Pra në këtë fotografi mund të shihni se rotori i katërt është duke u vërtitur më shpejt dhe rotori i dytë po vërtitet më ngadalë. Dhe kurdoherë që ajo ndodh është një moment që e bën robotin të rrotullohet. Në anën tjetër, nëse e rrit shpejtësinë e rotorit të tretë dhe e zvogëlon shpejtësinë e rotorit të parë pastaj roboti do përparojë përpara.

Dhe pastaj përfundimisht, nëse e kthen në anën e kundërt të rotorëve më shpejt se lidhja tjetër, pastaj roboti shkon rreth boshtit vertikalë. Pra një procesor në bord vëzhgon se çfarë lëvizje duhet të ekzekutohen dhe i kombinon këto lëvizje dhe e gjen se çfarë komandi duhet ti jepet motorrëvë 600 herë në sekond. Kjo është në thelb se si këto gjëra operojnë.

Pra njëra nga advantazhet e këtij projekti është se kur ju reduktoni masën e kësaj gjëje, roboti natyralisht bëhet i shkathët. Pra këtu R është karakteristika e gjatësisë së robotit. Faktikisht është gjysma e diametrit. dhe ka shumë parametra fizikë të cilët ndryshojnë kur ju e redkutoni R. Ajo që është më e rendësishmja është inercia apo rezistenca në lëvizje Pra del të jetë, që inercia, e cila e rregullon lëvizjen në veprime, ndryshon si fuqia e katërt e R. Pra sa më të vogël që e bëni R, më dramatike behët reduktukimi i inercisë. Dhe si rezultat, përshpejtimi këndor, e shkruar me germen greke alfa këtu, shkon mbi një R. Është proporcionalisht e kundërt me R. Sa më të vogël që e beni aq më shpejt mund të kthehet.

Pra kjo duhet të jetë e qartë në këtë video. Në fund ju mund të shihni një robot i cili përformon në një kthesë 360 gradëshe në më pak gjysmën e sekondit Disa kthime, edhe në më pak kohë. Pra këtu është procesi në bord po marrin vlerësime nga akselometrat dhe gyroskopët e bordid dhe kalkuluar, siq e ceka edhe më lartë, komandat në 600 herë në sekond për ta stabilizuar këtë robotë. Pra në të majtë, ju mund të shihni Danielin duket e hedhur këtë robotë në ajër. Dhe tregom se sa i fortë është kontrolli tij. Nuk ka rendësi se si e gjuan atë, roboti kthehet dhe vjen prap tek ai.

Pra përse të ndërtojmë robotë si këta? Mirë pra, robotë të tillë kanë shumë aplikacione. Ju mund ti dergoni ata në ndërtesa si këto si përgjigje e parë në kërkim të ndërhyrësve ndoshta për të kërkuar për rrjedhje lëndësh biokimike, rrjedhje gazi. Ju mund ti përdorni ata për aplikacione si ndërtimet. Këtu i keni robotet duke tërhequr trarë, kolona dhe duke montuar struktura kubike. Do t'ju tregoj diçka më tepër rreth kësaj. Robotët mund të përdoren për transportime kargosh. Pra njëri nga problemet me këta robot të vegjël është kapaciteti mbartës i tyre. Pra ndoshta ju mund të doni të keni disa robot për transportin e ngarkesave të dobishme. Kjo është një fotografi e një eksperimenti qe kemi berë kohëve të fundit -- faktikisht jo edhe aq të vonë -- në Sendai menjëherë pas tërmetit. Pra robotët e tillë mund të dërgohen në objekte të mbyllura në vlerësimin e dëmeve pas katastrofës natyrore, apo të dergohen në ndërtesa raktive për të hartuar nivelet e radioaktivitetit.

Pra një problem bazik që robotët duhet te zgjidhin, nëse ata janë autonomë është të bejnë zgjedhjen e duhur se si të arrijnë nga pika A tek ajo B. Pra kjo është pak sfiduese sepse dinamika e robotit është shumë e ndërlikuar. Faktikisht, ata jetojnë në një hapsirë 12-dimensionale Ndaj ne përdorim një mashtrim të vogël. Ne e marrim këtë vij të lakuar 12 dimensionale dhe e transformojmë atë në një hapsirë të rrafshët katër dimensionale. Dhe kjo hapësirë katër dimensionale përbehet nga X,Y,Z dhe pastaj një lakore tjetër.

Dhe ajo që roboti bën është plani i tij të cilin e quajmë trajektoria e kërcimit minimal. Pra pët t'ju kujtuar juve fiziken, ju keni pozicion, derivat, shpejtesi, pastaj akselerim, dhe pastaj vjen lëkundja dhe pastaj vjen kërcimi. Pra ky robot minimizon kërcitjen. Pra atë që efektivish bën po prodhon një lëvizje të butë dhe të këndshëme Dhe e benë atë ti largohet pengesave. Pra këto kërcime trajektoreje minimale në hapësira të rrafshta janë të transformuara prap në këtë hapësirë të ndërlikuar 12 dimensionesh, të cilën robotët duhet ta bejnë për kontrollin dhe pastaj ekzekutimin.

Pra më lejoni t'ju tregoj disa shembuj të minimumit të asaj që këto trajektore kërcyese mund të bëjnë. Dhe në videon e parë, ju do ta shihni robotin duke vajtur nga pika A tek pika B përmes një pike të ndërmjetme. Pra roboti është padyshim në gjendje për ekzekutimin e çdo trajektore kurbë. Pra, këto janë trajektoret rrethore ku roboti shtyen rreth 2 G. (G: forca gravitacionale) Këtu kemi një kamer të montuar lart e cila kap imazhe në lëvizje e cila tregon se ku është roboti në 100 herë në sekond. gjithashtu i tregon robotit se ku janë pengesat. Edhe pengesat mund të lëvizin. Pra këtu kemi Danielin i cili hedh një rreth në ajër, ndërsa roboti po llogarit pozicionin e rrethit dhe po përpiqet të gjejë mënyrën më të mirë të kalimit përmes rrethit. Pra si një akademik, ne jemi stërvitur që gjithmonë të jemi në gjendje të hidhemi përmes rrathëve për të mbedhur fonde për laboratorët tanë, dhe i bejmë robotet tanë ta bejnë atë.

(Duartrokitje)

Një gjë tjetër që robotët mund ta bëjnë është ti kujtojnë pjesët e trajektores që i ka mësuar apo që eshte paraprogramuar. Këtu mund ta shihni një robot duke kryer nje lëvizje për të marrë vrull dhe pastaj ndryshon orientimin e tij për tu ridrejtuar. Pra ka të bëjë me këtë pasi kjo hapësirë në dritare është vetem pak më e madhe sesa gjerësia e robotit. Pra pikërisht si një zhytës qëndron mbi një trampolinë dhe pastaj hidhet për të marrë vrull, pastaj bën këtë piruetë dhe një salto e gjysëm tejpërtej dhe pastaj me hijeshi kthëhet në posizion, ky robot pak a shumë e benë atë. Pra e dinë se si të kombinojë pak nga pjesët e trajektores për të bërë këto detyra mjaft të vështira.

Pra, dua të ndryshoj subject. Një nga disavantazhet e këtij roboti të vogël është madhësia e tij. Dhe unë ju thashë më parë që dëshirojmë të përdorim shumë robotë për ta tejkaluar limitet e madhësisë. Pra një problem është se si ti koordinojmë shumë prej këtyre robotëve? Pra këtu ne kemi parë natyrën. Dëshiroj t'ju shfaq një video të milingonave të shkretëtirës të familjes Aphaenogaster në laboratorin e profesor Stephen Pratt duke mbajtur një objekt. Në të vërtetë është një copë fiku. Në fakt ju merrni çdo objekt të lyer me lëng fiku dhe milingonat do ti shpien ato në fole. Pra, këto milingona nuk kanë ndonjë koordinator qendror. Ata ndjenjë praninë e fqinjëve. Nuk ka asnjë komunikim të qartë. Por për arësye se ato ndjejnë fqinjët e tyre dhe sepse ato i ndjejnë objektet, ata kanë koordinim të nënkuptuar brenda grupit.

Pra, kjo është lloji i koordinimit që ne duam të kenë robotët tanë. Pra, kur ne kemi një robot e cila është e rrethuar nga fqinjët -- dhe le të shohim tek roboti I dhe roboti J -- ajo që ne duam që robotët të bëjnë është që të monitorojë distancën mes tyre kur ata fluturojnë në formacion. Dhe pastaj ju doni të jeni të sigurtë se kjo distancë është në nivele të pranueshme. Prapë robotët monitorojnë këtë gabim dhe llogarisin komandat e kontrollit 100 herë në sekond, i cili pastaj i përkthen në komandat e motorrit 600 herë në sekond. Pra kjo duhet patjetër të jetë e berë në mënyrë të decentralizuar. Përsëri, nëse keni shumë dhe shumë e robotë, është e pamundur për të koordinuar të gjithë këtë informacion në nivel qendror mjaft shpejt në mënyrë që robotat të kryerjnë detyrën. Plus robotët duhet ti bazojnë lëvizjet e tyre veten në informacionet lokale, atë që e ndjenjë nga fqinjët e tyre. Dhe pastaj përfundimisht, ne insistojmë që robotët të mos njohin cilët janë fqinjët e tyre. Pra, kjo është ajo që ne e quajmë anonimiteti.

Pra, ajo që unë dua të tregoj më tej është një video e 20 robotëve të vegjël duke fluturuar në formacion. Ata po vëzhgojnë pozicionin e fqinjëve të tyrë. Ata po ruajnë formacionin. Formacionet mund të ndryshojnë. Ata mund të jenë formacione planare, ato mund të jenë formacione tredimensionale. Siç mund ta shihni këtu, ata rrëzohet nga një formacion tredimensionale në formimin planar. Dhe për të fluturuar përmes pengesave ata mund të përshtatin formacionin në flutururim. Pra edhe një herë, këta robotë shkojnë shumë pranë njëri tjetrit. Siç mund ta shihni në këtë figurë, e teta e fluturimit, ata lëvizin brenda pak centimetrash nga njëri tjetri. Dhe pavarësisht nga ndërveprimet aerodinamike të lopatave të helikës, ata janë në gjendje të mbajë fluturim të qëndrueshëm.

(Duartrokitje)

Pra, pasi ju e dini se si të fluturojë në formacion, ju faktikisht mund të ngrini objekte në bashkëveprim. Pra kjo vetem tregon qe ne mund të dyfishojmë, trefishojmë, ose katërfishojmë forcën e robotit vetem duke i bashkuar ata me fqinjët, siç mund ta shihni këtu. Një nga disavantazhet e të bërit të saj është se si ne rritjen e dimensionit të objekteve -- ashtu shtohet numri i robotëve duke mbajtur të njëjtën gjë, në thelb rritni inercinë, dhe kështu ju paguani një çmim, ata nuk janë aq të shkathët. Por fitoni në aspektin e kapacitetit mbartës.

Një aplikacionë tjetër që unë dua t'ju tregoj juve -- prapë, kjo është në laboratorin tonë. Kjo punë është kryer nga Quentin Lindesy i cili është një student i diplomuar. Pra ky algoritëm në thelb i tregon këtyre robotëve se si te ndërtojnë në autonomi strukturat kubike nga elementet e ndryshme. Pra algoritmi i tij i tregon robotit cilen pjesë të marrin, ku dhe kur ta vendosin atë. Pra në këtë video ju mund të shihni -- e përshpejtuar 10, 14 herë -- ju mund të shihni tri struktura të ndryshme të ndërtuara nga këta robotë. Dhe prapë, çdogjë është e pamvarur, dhe gjithë ajo që Quentin duhet të bëjë është ti japi atyre një kopje vizatimi të asaj që duan të ndërtojnë.

Pra, të gjitha këto eksperimente që keni parë deri tani, të gjitha këto demonstrime, janë bërë me ndihmën e sistemeve së kapjes të lëvizjes. Pra, çfarë ndodh kur ju lini laboratorin tuaj dhe ju dilni jashtë në botën reale? Dhe çfarë nëse nuk ka nuk ka GPS? (GPS: Sistemi i posizionimit global) Pra ky robot në të vërtetë është i pajisur me një kamera dhe një laser zbulues H, skaner me lazer. dhe përdor këta sensorë për të zhvilluar një hartë të mjedisit përreth. Harta përbëhet nga shumë karakteristika -- si dyer, dritare, njerëz, mobilje -- dhe pastaj llogarit ku është pozicioni e tij në lidhje me karakteristikat. Pra nuk ka sistem të koordinimit global. Sistemi i koordinatave është i bazuar në bazë të robotave, ku është dhe ç'po kërkon. Dhe ajo lundron në lidhje me ato karakteristika.

Pra dëshiroj t'ju tregoj një klip të algoritmeve të zhvilluara nga Frank Shen dhe profesori Nathan Michael i cili shfaq këtë robot duke hyrë në një ndërtesë për herë të parë duke krijuar këtë hartë gjatë fluturimit. Pra roboti përcakton cilat janë karakteristikat. Zhvillon hartën. Llogarit ku gjendet në lidhje me karakteristikat e mjedisit dhe vlerëson vendodhjen e tij 100 herë në sekond duke na lejuar neve të kontrollojmë algoritmet për të cilët you përshkrova mëparë. Pra ky robot faktikisht po komandohet në distancë nga Frank. Mirëpo roboti mund të llogarisë dhe vet ku duhet të shkojë. Le të supozojmë se une kisha për ta dërguar në një ndërtesë dhe nuk e kisha idenë se si ajo ndërtesë ngjante, Mund të pyes këtë robot të shkojë, të krijojë një hartë të kthehet mbrapsh dhe të më tregojë karakteristikat e asaj ndërtese. Pra këtu, roboti nuk po zgjidh vetëm problemin, se si të vejë nga pika A në pikën B në këtë hartë, por ai përcakton se cila është pika më e mirë B në çdo kohë. Pra faktikisht e di ku të vejë për të kërkuar vendet për të cilët ka më pak informacion. Dhe ajo është menyra se si plotësuar kjo hartë.

Pra dëshiroj t'ju lë juve me një aplikacion të fundit. Dhe ka shumë mënyra sesi ky aplikacion mund të përdoret. Unë jam një profesor, dhe ne jemi të pasjonuar pas arsimit. Robotët e tillë me të vërtetë mund të ndryshojnë mënyrën e arsimit në shkollat fillore deri tek i mesmi Por ne jemi në Karlifoninë e jugut, afër Los Angelos-it kështu që unë duhet të përfundoj me diçka të fokusuar në zbavitje. Dëshiroj të përfundoj më një video muzikore. Dëshiroj t'i paraqes krijuesit, Alex dhe Daniel, të cilet krijuan këtë video.

(Duartrokitje)

Pra përpara se të luaj këtë video, Dëshiroj t'ju tregoj juve se ata e krijuan në tri ditet e fundit pasi morën një telefonatë nga Chris. Dhe robotët që luajnë në video janë krejtësisht të pamvarur. Ju do të shihni nëntë robotë duke luajtur gjashtë instrumente. Dhe sigurisht, kjo është berë eksluzivisht për TED 2012. Le ta shikojmë.

(Muzika)

(Duartrokitje)