Robots that fly ... and cooperate | Vijay Kumar

Translator: Anton Hikov Reviewer: Yavor Ivanov

Good morning.

Добро утро.

I'm here today to talk about autonomous flying beach balls.

Днес съм тук, за да говоря

за автономни, летящи плажни топки.

(Laughter)

Не, подвижни въздушни роботи, като този.

No, agile aerial robots like this one.

I'd like to tell you a little bit about the challenges in building these,

Бих искал да ви разкажа малко за предизвикателствата при изграждането им

и за някои от страхотните възможности

and some of the terrific opportunities for applying this technology.

за прилагане на тази технология.

So these robots are related to unmanned aerial vehicles.

И така, тези роботи

са свързани с безпилотните летателни апарати.

Обаче, превозните средства, които виждате тук са големи.

However, the vehicles you see here are big.

Те тежат хиляди килограми

They weigh thousands of pounds, are not by any means agile.

и в никакъв случай не са подвижни.

They're not even autonomous.

Дори не са автономни.

In fact, many of these vehicles are operated by flight crews

В действителност, много от тези превозни средства

са управлявани от екипажи на самолети,

които могат да включват няколко пилоти,

that can include multiple pilots,

operators of sensors,

оператори на сензори

and mission coordinators.

и координатори на мисията.

What we're interested in is developing robots like this --

Това, от което се интересуваме е разработването на роботи, като този --

и тук са още две снимки --

and here are two other pictures --

на роботи, които можете да си купите от магазина.

of robots that you can buy off the shelf.

Това са хеликоптери с четири ротори

So these are helicopters with four rotors,

и те са около един метър големи,

and they're roughly a meter or so in scale,

и тежат няколко килограма.

and weigh several pounds.

И така, ние ги оборудваме със сензори и процесори,

And so we retrofit these with sensors and processors,

и тези роботи могат да летят на закрито

and these robots can fly indoors.

без GPS.

Without GPS.

Роботът, който държа в ръката си

The robot I'm holding in my hand

е този,

is this one,

и е създаден от двама студенти,

and it's been created by two students,

Алекс и Даниел.

Alex and Daniel.

Той тежи малко повече

So this weighs a little more than a tenth of a pound.

от 45 грама.

It consumes about 15 watts of power.

Консумира около 15 вата мощност.

И както можете да видите,

And as you can see, it's about eight inches in diameter.

е около 20 сантиметра в диаметър.

Позволете ми да ви дам един много бърз урок

So let me give you just a very quick tutorial

on how these robots work.

за това как работят тези роботи.

Значи той има четири ротора.

So it has four rotors.

If you spin these rotors at the same speed,

Ако завъртите тези ротори със същата скорост,

the robot hovers.

роботът кръжи.

If you increase the speed of each of these rotors,

Ако увеличите скоростта на всеки един от тези ротори,

тогава робота полита, ускорява се.

then the robot flies up, it accelerates up.

Of course, if the robot were tilted,

Разбира се, ако роботът е килнат,

наклонен по хоризонталата,

inclined to the horizontal,

then it would accelerate in this direction.

тогава той се ускорява в тази посока.

So to get it to tilt,

За да го накараме да се наклони, можем да го направим по два начина.

there's one of two ways of doing it.

И така, на тази снимка

So in this picture, you see that rotor four is spinning faster

виждате, че ротор четири се върти по-бързо

and rotor two is spinning slower.

и ротор две се върти по-бавно.

And when that happens,

И когато това се случи,

there's a moment that causes this robot to roll.

в един момент роботът се завърта.

И обратното,

And the other way around,

if you increase the speed of rotor three and decrease the speed of rotor one,

ако увеличите скоростта на ротор три

и намалите скоростта на ротор едно,

тогава роботът се устремява напред.

then the robot pitches forward.

And then finally,

И накрая,

if you spin opposite pairs of rotors

ако завъртите срещуположната двойка ротори

faster than the other pair,

по-бързо от другата двойка,

then the robot yaws about the vertical axis.

тогава робота се завърта около вертикалната ос.

Бордови процесор

So an on-board processor

essentially looks at what motions need to be executed

по същество гледа какви движения трябва да бъдат изпълнени

и комбинира тези движения,

and combines these motions,

и изчислява какви команди да се изпратят на двигателите,

and figures out what commands to send to the motors --

600 пъти в секунда.

600 times a second.

That's basically how this thing operates.

Така, в основни линии, работи това нещо.

Едно от предимствата на този дизайн

So one of the advantages of this design

е, че когато намалявате мащаба на компонентите,

is when you scale things down,

роботът естествено става подвижен.

the robot naturally becomes agile.

И така, тук R

So here, R is the characteristic length of the robot.

е характеристичната дължина на робота.

Това всъщност е половината от диаметъра.

It's actually half the diameter.

And there are lots of physical parameters that change as you reduce R.

И има много физически параметри, които се променят,

като намалявате R.

The one that's most important is the inertia,

Този, който е най-важен

е инерцията или съпротивлението при движение.

or the resistance to motion.

Оказва се,

So it turns out the inertia, which governs angular motion,

че инерцията, която определя ъгловото движение,

е пропорционална на пета степен на R.

scales as a fifth power of R.

Така че колкото по-малко е R,

So the smaller you make R,

the more dramatically the inertia reduces.

толкова по-драматично намалява инерцията.

So as a result, the angular acceleration,

Така че като резултат, ъгловото ускорение,

denoted by the Greek letter alpha here,

обозначено с гръцката буква алфа тук,

goes as 1 over R.

се описва с едно върху R.

It's inversely proportional to R.

То е обратно пропорционално на R.

The smaller you make it, the more quickly you can turn.

Колкото по-малко го правите, толкова по-бързо можете да завиете.

Това трябва да стане ясно от тези клипове.

So this should be clear in these videos.

В долния десен ъгъл виждате робот,

On the bottom right, you see a robot performing a 360-degree flip

изпълняващ 360-градусово преобръщане

in less than half a second.

за по-малко от половин секунда.

Multiple flips, a little more time.

Множество обръщания, малко повече време.

Тук бордовите процесори

So here the processes on board

получават обратна информация от акселерометрите

are getting feedback from accelerometers and gyros on board,

и жироскопите на борда,

and calculating, like I said before,

и изчисляват, както казах преди,

commands at 600 times a second,

команди, 600 пъти за секунда,

to stabilize this robot.

за да стабилизират този робот.

So on the left, you see Daniel throwing this robot up into the air,

В ляво виждате Даниел, който подхвърля този робот във въздуха.

and it shows you how robust the control is.

И това ви показва колко солиден е контрола.

Без значение как го подхвърля,

No matter how you throw it,

the robot recovers and comes back to him.

робота се възстановява и се връща към него.

So why build robots like this?

И така, защо да правим такива роботи?

Ами роботи като този имат много приложения.

Well, robots like this have many applications.

Можете да ги изпратите във вътрешността на сгради като тази,

You can send them inside buildings like this,

as first responders to look for intruders,

като първа помощ, да търсят нередности,

може би да търсят биохимични течове,

maybe look for biochemical leaks,

газообразни течове.

gaseous leaks.

Можете да ги използвате, също така,

You can also use them for applications like construction.

за приложения, като строителството.

So here are robots carrying beams, columns

Това тук са роботи носещи греди, колони

и монтиращи кубообразни структури.

and assembling cube-like structures.

I'll tell you a little bit more about this.

Ще ви разкажа малко повече за това.

The robots can be used for transporting cargo.

Роботите могат да бъдат използвани за транспортиране на товари.

So one of the problems with these small robots

Един от проблемите с тези малки роботи

is their payload-carrying capacity.

е техният капацитет за пренасяне на полезен товар.

So you might want to have multiple robots carry payloads.

Така че може да искате да ползвате няколко роботи

за носене на полезен товар.

This is a picture of a recent experiment we did --

Това е картина от неотдавнашен експеримент, който направихме --

всъщност вече не е толкова скорошен --

actually not so recent anymore --

in Sendai, shortly after the earthquake.

в Сендай, малко след земетресението.

So robots like this could be sent into collapsed buildings,

Значи роботи като този могат да бъдат изпратени в срутени сгради,

да направят оценка на щетите след природни бедствия,

to assess the damage after natural disasters,

или да бъдат изпратени в сградите на реактори,

or sent into reactor buildings,

to map radiation levels.

за да измерят нивата на радиация.

So one fundamental problem that the robots have to solve

Един основен проблем,

който роботите трябва да решат, за да бъдат независими,

if they are to be autonomous,

is essentially figuring out how to get from point A to point B.

е по същество да изчислят

как да стигнат от точка А до точка Б.

So this gets a little challenging,

Това е малко предизвикателно,

because the dynamics of this robot are quite complicated.

защото динамиката на този робот е доста сложна.

In fact, they live in a 12-dimensional space.

Всъщност, те живеят в 12-мерно пространство.

Така че ние използваме един малък трик.

So we use a little trick.

We take this curved 12-dimensional space,

Вземаме това извито 12-мерно пространство

и го трансформираме

and transform it into a flat, four-dimensional space.

в плоско четиримерно пространство.

И това четиримерно пространство

And that four-dimensional space consists of X, Y, Z,

се състои от X, Y, Z, и още ъгълът на отклонение от курса.

and then the yaw angle.

And so what the robot does,

Така че това, което прави робота

is it plans what we call a minimum-snap trajectory.

е да планира това, което наричаме минимална отсечена траектория.

Да ви напомня от физиката,

So to remind you of physics:

You have position, derivative, velocity;

имате позиция, производната -- скорост,

then acceleration;

после ускорение,

and then comes jerk,

после идва рязко движение,

and then comes snap.

и после насечено.

So this robot minimizes snap.

Така че този робот минимизира насичането.

So what that effectively does,

Така че това, което прави по същество

is produce a smooth and graceful motion.

е, че произвежда плавно и грациозно движение.

And it does that avoiding obstacles.

И го прави, докато избягва препятствия.

Така че тези минимални траектории на насичане в това плоско пространство

So these minimum-snap trajectories in this flat space are then transformed

после биват трансформирани обратно

back into this complicated 12-dimensional space,

в това сложно 12-мерно пространство,

което роботът трябва да прави

which the robot must do for control and then execution.

за контрол и след това за изпълнение.

So let me show you some examples

Позволете ми да ви покажа няколко примери

of what these minimum-snap trajectories look like.

за това, как изглеждат тези минимални траектории на насичане.

И в първото видео,

And in the first video,

you'll see the robot going from point A to point B,

ще видите робот предвижващ се от точка А до точка Б

през междинна точка.

through an intermediate point.

(Whirring noise)

Роботът очевидно е в състояние

So the robot is obviously capable of executing any curve trajectory.

да изпълни която и да е кривообразна траектория.

Това са кръгови траектории,

So these are circular trajectories,

where the robot pulls about two G's.

при които робота е подложен на около две G.

Here you have overhead motion capture cameras on the top

Тук има надземни камери, заснемащи движението отгоре,

that tell the robot where it is 100 times a second.

които указват на робота къде се намира 100 пъти в секунда.

It also tells the robot where these obstacles are.

Също така му казват къде са препятствията.

И пречките могат да се движат.

And the obstacles can be moving.

And here, you'll see Daniel throw this hoop into the air,

Тук виждате Даниел да хвърля този обръч във въздуха,

while the robot is calculating the position of the hoop,

докато роботът изчислява позицията на обръча

и се опитвам да разбере как най-добре да премине през него.

and trying to figure out how to best go through the hoop.

Като учени винаги сме обучавани

So as an academic,

we're always trained to be able to jump through hoops

да можем да скачаме през обръчи, за набиране на финансиране за нашите лаборатории,

to raise funding for our labs,

и ние накарахме нашите роботи да направят това.

and we get our robots to do that.

(Applause)

(Ръкопляскания)

Друго нещо, което роботът може да прави

So another thing the robot can do

е да помни части на траектория,

is it remembers pieces of trajectory

that it learns or is pre-programmed.

която научава или е предварително програмирана.

Тук виждате робот,

So here, you see the robot combining a motion that builds up momentum,

съчетаващ движение,

което набира инерция

and then changes its orientation and then recovers.

и после променя своята ориентация и след това се възстановява.

Той трябва да прави това, защото празнината в прозореца

So it has to do this because this gap in the window

is only slightly larger than the width of the robot.

е само малко по-голяма от ширината на робота.

Точно както гмурец застава на трамплин

So just like a diver stands on a springboard

and then jumps off it to gain momentum,

и после отскача от него, за да набере скорост,

и после прави пирует, две и половина салта

and then does this pirouette, this two and a half somersault through

и след това грациозно се възстановява,

and then gracefully recovers,

this robot is basically doing that.

този робот прави по същество това.

So it knows how to combine little bits and pieces of trajectories

Той знае как да съчетава различни части от траектории,

to do these fairly difficult tasks.

за да прави тези доста трудни задачи.

Искам да сменя темата.

So I want change gears.

So one of the disadvantages of these small robots is its size.

Един от недостатъците на тези малки роботи е размерът им.

И ви казах по-рано,

And I told you earlier

that we may want to employ lots and lots of robots

че може да се наложи да наемем множество роботи

за да преодолеем ограниченията в размера им.

to overcome the limitations of size.

Една от трудностите

So one difficulty is:

How do you coordinate lots of these robots?

е как да се координират много такива роботи?

And so here, we looked to nature.

И тук се обърнахме към природата.

So I want to show you a clip of Aphaenogaster desert ants,

Искам да ви покажа клип

на пустинни мравки от вид Aphaenogaster

в лабораторията на проф. Стивън Прат, които носят предмет.

in Professor Stephen Pratt's lab, carrying an object.

Това всъщност е парче от смокиня.

So this is actually a piece of fig.

Всъщност ако донесете предмет покрит със сок от смокиня,

Actually you take any object coated with fig juice,

мравките ще го отнесат обратно в гнездото.

and the ants will carry it back to the nest.

So these ants don't have any central coordinator.

Тези мравки нямат централен координатор.

Те усещат своите съседи.

They sense their neighbors.

Няма изрична комуникация.

There's no explicit communication.

Но понеже усещат съседите си

But because they sense the neighbors

и понеже усещат предмета,

and because they sense the object,

they have implicit coordination across the group.

те имат косвена координация в рамките на групата.

Така че това е вида координация,

So this is the kind of coordination we want our robots to have.

която искаме да имат нашите роботи.

So when we have a robot which is surrounded by neighbors --

Така че когато имаме робот,

който е заобиколен от съседите си --

и нека да погледнем робот I и робот J --

and let's look at robot I and robot J --

това, което искаме роботите да правят

what we want the robots to do,

е да наблюдават разделението между тях,

is to monitor the separation between them,

as they fly in formation.

докато летят във формация.

And then you want to make sure

И после искате да се уверите,

that this separation is within acceptable levels.

че това разделение е в приемливи нива.

Така че отново роботите следят тази грешка

So again, the robots monitor this error

and calculate the control commands 100 times a second,

и изчисляват контролните команди

100 пъти в секунда,

which then translates into motor commands,

което после се превежда в моторни команди 600 пъти в секунда.

600 times a second.

Това също така трябва да се прави

So this also has to be done in a decentralized way.

по децентрализиран начин.

Again, if you have lots and lots of robots,

Отново, ако имате множество роботи,

е невъзможно да се координира цялата тази информация централно,

it's impossible to coordinate all this information centrally

fast enough in order for the robots to accomplish the task.

достатъчно бързо за да могат роботите да изпълняват задачата.

Plus, the robots have to base their actions only on local information --

Освен това роботите трябва да основават своите действия

само на локална информация,

това, което долавят от техните съседи.

what they sense from their neighbors.

И накрая,

And then finally,

we insist that the robots be agnostic to who their neighbors are.

настояваме, че роботите трябва да са агностици

към съседите си.

So this is what we call anonymity.

Това е, което наричаме анонимност.

Това, което искам да ви покажа сега

So what I want to show you next is a video of 20 of these little robots,

е видео

на 20 от тези малки роботи,

flying in formation.

летящи във формация.

Те следят позицията на своите съседи.

They're monitoring their neighbors' positions.

Те поддържат формация.

They're maintaining formation.

The formations can change.

Формациите могат да се променят.

They can be planar formations,

Могат да образуват планарни формации,

they can be three-dimensional formations.

могат да бъдат триизмерни формации.

Както можете да видите тук,

As you can see here,

they collapse from a three-dimensional formation into planar formation.

те се свиват от триизмерна формация в планарна формация.

И за да прелитат през препятствия,

And to fly through obstacles,

they can adapt the formations on the fly.

те могат да адаптират формациите в движение.

Така че отново, тези роботи идват наистина близо един до друг.

So again, these robots come really close together.

As you can see in this figure-eight flight,

Както можете да видите в този полет, под формата на осмица,

they come within inches of each other.

те идват на сантиметри един от друг.

И въпреки аеродинамичните взаимодействия

And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades,

на тези витла,

they're able to maintain stable flight.

те са в състояние да поддържат стабилен полет.

(Applause)

(Ръкопляскания)

Така че, след като знаете как да летите във формация,

So once you know how to fly in formation,

всъщност можете да вдигате обекти в сътрудничество.

you can actually pick up objects cooperatively.

Това просто ни показва,

So this just shows that we can double, triple, quadruple

че можем да удвоим, утроим, учетворим

силата на роботите, като просто ги накараме

the robots' strength,

by just getting them to team with neighbors, as you can see here.

да сътрудничат със съседите си, както можете да видите тук.

Един от недостатъците на това е,

One of the disadvantages of doing that is, as you scale things up --

че като мащабирате нещата --

so if you have lots of robots carrying the same thing,

ако имате много роботи, които носят едно и също нещо,

по същество ефективно увеличавате инерцията,

you're essentially increasing the inertia,

and therefore you pay a price; they're not as agile.

и следователно плащате цена за това, те няма да са толкова подвижни.

But you do gain in terms of payload-carrying capacity.

Но печелите по отношение на товароподемността.

Друго приложение, което искам да ви покажа --

Another application I want to show you -- again, this is in our lab.

отново, това е в нашата лаборатория.

This is work done by Quentin Lindsey, who's a graduate student.

Това е работа, направена от Куентин Линдзи, който е студент дипломант.

Неговият алгоритъм по същество казва на тези роботи

So his algorithm essentially tells these robots

как да изградят самостоятелно

how to autonomously build cubic structures

кубични структури

от подобни на подпори елементи.

from truss-like elements.

Алгоритъмът казва на робота

So his algorithm tells the robot what part to pick up,

каква част да вземе,

кога и къде да я постави.

when, and where to place it.

В това видео може да видите --

So in this video you see --

and it's sped up 10, 14 times --

то е ускорено 10, 14 пъти --

виждате три различни структури, изградени от тези роботи.

you see three different structures being built by these robots.

И отново, всичко е автономно,

And again, everything is autonomous,

всичко, което Куентин трябва да направи

and all Quentin has to do

is to give them a blueprint of the design that he wants to build.

е да им даде проектоплан

на дизайна, който иска да построи.

So all these experiments you've seen thus far,

Всички тези експерименти, които видяхте до този момент,

all these demonstrations,

всички тези демонстрации,

have been done with the help of motion-capture systems.

са извършени с помощта на системи заснемащи движението.

Какво се случва, когато напуснете вашата лаборатория

So what happens when you leave your lab,

и излезете навън в реалния свят?

and you go outside into the real world?

And what if there's no GPS?

И какво, ако има няма GPS?

So this robot is actually equipped with a camera,

Този робот

всъщност е оборудван с камера

и лазерен далекомер, лазерен скенер.

and a laser rangefinder, laser scanner.

И използва тези сензори

And it uses these sensors to build a map of the environment.

за да изгради карта на обкръжаващата го среда.

Тази карта се състои от отличителни белези --

What that map consists of are features --

като врати, прозорци,

like doorways, windows, people, furniture --

хора, мебели --

и след това той разбира къде е позицията му

and it then figures out where its position is,

по отношение на отличителни белези.

with respect to the features.

So there is no global coordinate system.

Така че няма глобална координатна система.

Координатна система се определя на базата на робота,

The coordinate system is defined based on the robot,

where it is and what it's looking at.

къде е и какво търси.

And it navigates with respect to those features.

И той се придвижва по отношение на тези отличителни предмети.

Искам да ви покажа клип

So I want to show you a clip

of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael,

на алгоритми, разработени от Франк Шен

и проф. Нейтън Майкъл,

that shows this robot entering a building for the very first time,

който показва този робот да влиза в сграда за първи път

and creating this map on the fly.

и да създава тази карта в движение.

So the robot then figures out what the features are,

После роботът разбира какви са отличителните предмети

it builds the map,

и изгражда картата.

it figures out where it is with respect to the features,

Той определя къде се намира по отношение на отличителните предмети

and then estimates its position 100 times a second,

и после изчислява позицията си

100 пъти в секунда,

allowing us to use the control algorithms that I described to you earlier.

което ни позволява да използваме алгоритмите за контрол,

които ви описах по-рано.

So this robot is actually being commanded remotely by Frank,

Този робот всъщност се управлява

отдалечено от Франк.

Но роботът може също така да разбере

but the robot can also figure out where to go on its own.

къде да отиде самостоятелно.

Да предположим, че искам да изпратя това в сграда

So suppose I were to send this into a building,

и нямам представа как изглежда тази сграда,

and I had no idea what this building looked like.

мога да накарам този робот да влезе вътре,

I can ask this robot to go in,

да създаде карта

create a map,

и после да се върне и да ми каже как изглежда сградата.

and then come back and tell me what the building looks like.

So here, the robot is not only solving the problem

Така че тук роботът не само решава проблема,

как да отиде от точка А до точка Б в тази карта,

of how to go from point A to point B in this map,

but it's figuring out what the best point B is at every time.

но също така определя

коя е най-добрата точка Б по всяко време.

Така че по същество знае къде да отиде,

So essentially it knows where to go

to look for places that have the least information,

да търси места, които имат най-малко информация.

И по този начин попълва тази карта.

and that's how it populates this map.

So I want to leave you with one last application.

Искам да ви оставя

с едно последно приложение.

And there are many applications of this technology.

И има много приложения на тази технология.

I'm a professor, and we're passionate about education.

Аз съм професор и ние сме запалени по образованието.

Роботи като този наистина могат да променят начина,

Robots like this can really change the way we do K-12 education.

по който провеждаме образованието от детската градина до 12 клас.

Но ние сме в южна Калифорния,

But we're in Southern California,

близо до Лос Анджелис,

close to Los Angeles,

така че трябва да приключа

so I have to conclude with something focused on entertainment.

с нещо, фокусирано върху развлеченията.

Искам да завърша с музикален видеоклип.

I want to conclude with a music video.

Искам да ви представя създателите, Алекс и Даниел,

I want to introduce the creators, Alex and Daniel, who created this video.

които направиха този клип.

(Ръкопляскания)

(Applause)

So before I play this video,

Преди да ви пусна този клип,

I want to tell you that they created it in the last three days,

искам да ви кажа, че те го създадоха през последните три дни,

after getting a call from Chris.

след като получихме обаждане от Крис.

And the robots that play in the video are completely autonomous.

И роботите, които свирят във видеото

са напълно автономни.

You will see nine robots play six different instruments.

Ще видите девет роботи да свирят на шест различни инструменти.

И разбира се, това е направено изключително за TED 2012.

And of course, it's made exclusively for TED 2012.

Нека да го видим.

Let's watch.

(Sound of air escaping from valve)

(Music)

(Whirring sound)

(Music)

(Музика)

(Ръкопляскания)

(Applause) (Cheers)