Robots that fly ... and cooperate | Vijay Kumar

Vjay Kumar: robots que vuelan... y cooperan

Traductor: Sebastian Betti Revisor: Andrea Pisera

Good morning.

Buenos días.

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

Hoy vine a hablarles

de las pelotas de playa voladoras.

(Laughter)

No, de robots ágiles aéreos como este.

No, agile aerial robots like this one.

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

Me gustaría hablar un poco de los desafíos de su construcción

y de algunas aplicaciones fabulosas

and some of the terrific opportunities for applying this technology.

de esta tecnología.

So these robots are related to unmanned aerial vehicles.

Estos robots están emparentados

con los vehículos aéreos no tripulados.

Sin embargo, los vehículos que ven aquí son grandes.

However, the vehicles you see here are big.

Pesan miles de kilos

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

no son ágiles, en absoluto.

They're not even autonomous.

Ni siquiera son autónomos.

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

De hecho, muchos de estos vehículos

son operados por tripulaciones de vuelo

que pueden contar con varios pilotos,

that can include multiple pilots,

operators of sensors,

operadores de sensores

and mission coordinators.

y coordinadores de misión.

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

Nos interesa desarrollar robots como este

-aquí hay dos fotos más

and here are two other pictures --

de robots que se comercializan.

of robots that you can buy off the shelf.

Estos son helicópteros con cuatro rotores

So these are helicopters with four rotors,

miden más o menos un metro a escala

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

y pesan cientos de gramos.

and weigh several pounds.

Nosotros adaptamos estos robots con sensores y procesadores

And so we retrofit these with sensors and processors,

para que puedan volar

and these robots can fly indoors.

sin GPS.

Without GPS.

El robot que tengo en la mano

The robot I'm holding in my hand

es éste,

is this one,

y fue creado por dos estudiantes,

and it's been created by two students,

Alex y Daniel.

Alex and Daniel.

Este pesa

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

unos 50 gramos.

It consumes about 15 watts of power.

Consume unos 15 vatios de potencia.

Y, como pueden ver,

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

mide unos 20 cm de diámetro.

Así que voy a dar un tutorial rápido

So let me give you just a very quick tutorial

on how these robots work.

sobre su funcionamiento.

Tiene cuatro rotores.

So it has four rotors.

If you spin these rotors at the same speed,

Si los cuatro rotores giran a la misma velocidad

the robot hovers.

lo hacen cernerse.

If you increase the speed of each of these rotors,

Al aumentar la velocidad de cada uno de los rotores

el robot vuela hacia arriba, acelera.

then the robot flies up, it accelerates up.

Of course, if the robot were tilted,

Claro, si el robot estuviera inclinado

respecto a la horizontal

inclined to the horizontal,

then it would accelerate in this direction.

aceleraría en esa dirección.

So to get it to tilt,

Hay dos maneras de hacer que se incline.

there's one of two ways of doing it.

En esta imagen

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

ven que el rotor 4 gira más rápido

and rotor two is spinning slower.

y que el rotor 2 gira más despacio.

And when that happens,

Cuando ocurre eso

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

se produce un impulso que lo hace rodar.

Y, al revés,

And the other way around,

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

si se incrementa la velocidad del rotor 3

y decrementa la del rotor 1,

se lanza hacia adelante.

then the robot pitches forward.

And then finally,

Y, por último,

if you spin opposite pairs of rotors

si se giran los pares opuestos de rotores

faster than the other pair,

más rápido que los otros pares,

then the robot yaws about the vertical axis.

el robot vira en torno al eje vertical.

Un procesador de a bordo

So an on-board processor

essentially looks at what motions need to be executed

analiza los movimientos a ejecutar,

combina estos movimientos

and combines these motions,

y calcula los comandos a enviar a los motores

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

600 veces por segundo.

600 times a second.

That's basically how this thing operates.

Básicamente, así funciona.

Una de las ventajas de este diseño

So one of the advantages of this design

es que, al disminuir la escala,

is when you scale things down,

el robot es naturalmente más ágil.

the robot naturally becomes agile.

Aquí R

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

es la longitud característica del robot.

Es la mitad del diámetro.

It's actually half the diameter.

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

Hay muchos parámetros físicos que cambian

al reducir R.

The one that's most important is the inertia,

Uno de los más importantes

es la inercia o resistencia al movimiento.

or the resistance to motion.

Resulta que

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

la inercia, que regula el movimiento angular,

se eleva a la quinta potencia de R.

scales as a fifth power of R.

Así, cuanto más chica es R

So the smaller you make R,

the more dramatically the inertia reduces.

más acentuadamente se reduce la inercia.

So as a result, the angular acceleration,

Como resultado, la aceleración angular,

denoted by the Greek letter alpha here,

denotada aquí con la letra griega alfa,

goes as 1 over R.

es 1 sobre R.

It's inversely proportional to R.

Es inversamente proporcional a R.

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

Cuanto más chica sea R, más rápido se puede girar.

Esto debería quedar claro con estos videos.

So this should be clear in these videos.

Abajo a la derecha se ve un robot

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

que da un giro de 360 grados

in less than half a second.

en menos de medio segundo.

Multiple flips, a little more time.

Y varios giros en un poco más de tiempo.

Aquí los procesos de a bordo

So here the processes on board

reciben respuesta de los acelerómetros

are getting feedback from accelerometers and gyros on board,

y giroscopios de a bordo

and calculating, like I said before,

y calculan comandos, como dije antes,

commands at 600 times a second,

600 veces por segundo

to stabilize this robot.

para estabilizar al robot.

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

A la izquierda ven a Daniel que arroja el robot al aire.

and it shows you how robust the control is.

Eso muestra la robustez del control.

Sin importar como uno lo lance,

No matter how you throw it,

the robot recovers and comes back to him.

el robot se recupera y regresa a su mano.

So why build robots like this?

¿Por qué construir robots así?

Bien, estos robots tienen muchas aplicaciones.

Well, robots like this have many applications.

Se los puede enviar a edificios como este,

You can send them inside buildings like this,

as first responders to look for intruders,

como primera repuesta en busca de intrusos,

o en busca de escapes bioquímicos,

maybe look for biochemical leaks,

o de una fuga de gas.

gaseous leaks.

Se los puede usar también

You can also use them for applications like construction.

en la construcción.

So here are robots carrying beams, columns

Aquí hay robots que transportan vigas y columnas

que montan estructuras cúbicas.

and assembling cube-like structures.

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

Les contaré más al respecto.

The robots can be used for transporting cargo.

Pueden usarse en el transporte de carga.

So one of the problems with these small robots

Pero uno de los problemas de estos pequeños robots

is their payload-carrying capacity.

es su capacidad de carga útil.

So you might want to have multiple robots carry payloads.

Por eso querríamos distribuir la carga útil

en varios robots.

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

Esta es una imagen de un experimento reciente

-ya no tan reciente-

actually not so recent anymore --

in Sendai, shortly after the earthquake.

en Sendai, poco después del terremoto.

So robots like this could be sent into collapsed buildings,

Podrían enviarse robots como este a edificios derrumbados

para evaluar los daños luego de desastres naturales

to assess the damage after natural disasters,

o a edificios radiactivos

or sent into reactor buildings,

to map radiation levels.

para medir el nivel de radiación.

So one fundamental problem that the robots have to solve

Un problema fundamental

que tienen que resolver los robots para ser autónomos

if they are to be autonomous,

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

es averiguar

cómo llegar del punto A al punto B.

So this gets a little challenging,

Esto se hace un poco difícil

because the dynamics of this robot are quite complicated.

porque la dinámica de este robot es muy complicada.

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

De hecho, opera en un espacio de 12 dimensiones.

Por eso usamos un truco.

So we use a little trick.

We take this curved 12-dimensional space,

Usamos este espacio curvo de 12 dimensiones

y lo transformamos

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

en un espacio plano de 4 dimensiones.

Y ese espacio de 4 dimensiones

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

está formado por X, Y, Z y el ángulo de viraje.

and then the yaw angle.

And so what the robot does,

Así, el robot planifica

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

lo que denominamos la trayectoria de sacudida mínima.

Recordando un poco de física,

So to remind you of physics:

You have position, derivative, velocity;

tenemos la posición, la derivada, la velocidad,

then acceleration;

luego la aceleración,

and then comes jerk,

luego viene el tirón

and then comes snap.

y después la sacudida (snap).

So this robot minimizes snap.

Este robot minimiza la sacudida.

So what that effectively does,

Y eso da como resultado

is produce a smooth and graceful motion.

un movimiento suave y elegante.

And it does that avoiding obstacles.

Y todo eso, evitando obstáculos.

Estas trayectorias de sacudida mínima en el espacio plano

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

luego son transformadas

back into this complicated 12-dimensional space,

en este espacio complicado de 12 dimensiones

que el robot debe realizar

which the robot must do for control and then execution.

para el control y posterior ejecución.

So let me show you some examples

Les mostraré algunos ejemplos

of what these minimum-snap trajectories look like.

de trayectorias de sacudida mínima.

En el primer video

And in the first video,

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

verán al robot ir del punto A al punto B,

pasando por un punto intermedio.

through an intermediate point.

(Whirring noise)

El robot puede recorrer

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

cualquier trayectoria curva.

En estas trayectorias circulares

So these are circular trajectories,

where the robot pulls about two G's.

el robot experimenta unas dos fuerzas G.

Here you have overhead motion capture cameras on the top

En la parte superior hay cámaras aéreas de captura de movimiento

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

que le indican al robot dónde está, 100 veces por segundo.

It also tells the robot where these obstacles are.

Además, le dicen dónde están los obstáculos.

Los obstáculos pueden moverse.

And the obstacles can be moving.

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

Y aquí vemos a Daniel lanzando el aro al aire

while the robot is calculating the position of the hoop,

mientras el robot calcula la posición del aro

y trata de averiguar la mejor manera de atravesarlo.

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

Como académicos,

So as an academic,

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

estamos entrenados para saltar aros y así conseguir fondos para el laboratorio

to raise funding for our labs,

y logramos que nuestros robots lo hagan.

and we get our robots to do that.

(Applause)

(Aplausos)

Otra cosa que puede hacer el robot

So another thing the robot can do

es recordar partes de la trayectoria

is it remembers pieces of trajectory

that it learns or is pre-programmed.

que aprende o que tiene pre-programada.

Por eso aquí ven al robot

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

combinando un movimiento

que acumula impulso,

and then changes its orientation and then recovers.

después cambia su orientación y luego se recupera.

Tiene que hacerlo porque el hueco de la ventana

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

is only slightly larger than the width of the robot.

es ligeramente más grande que el ancho del robot.

Así, al igual que un clavadista se para en el trampolín

So just like a diver stands on a springboard

and then jumps off it to gain momentum,

luego salta para ganar impulso,

hace esa pirueta, dos saltos mortales y medio

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

y se recupera con gracia;

and then gracefully recovers,

this robot is basically doing that.

este robot hace básicamente eso.

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

Sabe cómo combinar pequeños tramos de trayectorias

to do these fairly difficult tasks.

para realizar estas tareas bastante difíciles.

Quiero cambiar de marcha.

So I want change gears.

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

Una de las desventajas de estos pequeños robots es el tamaño.

Como les dije antes

And I told you earlier

that we may want to employ lots and lots of robots

quisiéramos emplear gran cantidad de robots

para sortear las limitaciones del tamaño.

to overcome the limitations of size.

Y una de las dificultades

So one difficulty is:

How do you coordinate lots of these robots?

es la manera de coordinar muchos de estos robots.

And so here, we looked to nature.

Por eso recurrimos a la naturaleza.

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

Quiero mostrarles un video

de las hormigas aphaenogasters del desierto

cargando un objeto en el lab. del Profesor Stephen Pratt

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

Es un pedacito de higo.

So this is actually a piece of fig.

En realidad, cualquier objeto cubierto con jugo de higo sirve

Actually you take any object coated with fig juice,

para que las hormigas lo lleven al hormiguero.

and the ants will carry it back to the nest.

So these ants don't have any central coordinator.

Estas hormigas no tienen un coordinador central.

Detectan a sus vecinas.

They sense their neighbors.

No hay comunicación explícita.

There's no explicit communication.

Pero como detectan a sus vecinas

But because they sense the neighbors

y detectan al objeto

and because they sense the object,

they have implicit coordination across the group.

tienen, como grupo, una coordinación implícita.

Ese es el tipo de coordinación

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

que queremos para nuestros robots.

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

Cuando tenemos un robot

rodeado por vecinos

-miremos al robot I y al J-

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

queremos que los robots

what we want the robots to do,

controlen la separación entre ellos

is to monitor the separation between them,

as they fly in formation.

mientras vuelan en formación,

And then you want to make sure

y asegurarnos

that this separation is within acceptable levels.

de que la separación entre ellos sea aceptable.

De nuevo, los robots controlan este error

So again, the robots monitor this error

and calculate the control commands 100 times a second,

y calculan los comandos correctivos

100 veces por segundo

which then translates into motor commands,

que luego se traducen en comandos al motor, 600 veces por segundo.

600 times a second.

Esto tiene que hacerse

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

de manera descentralizada.

Again, if you have lots and lots of robots,

Otra vez, si tenemos muchos robots

es imposible coordinarlos con información centralizada

it's impossible to coordinate all this information centrally

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

lo suficientemente rápido como para que cumplan la tarea.

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

Además, los robots tienen que basar sus acciones

sólo en la información local

que detecten de sus vecinos.

what they sense from their neighbors.

Y, finalmente,

And then finally,

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

insistimos en que los robots desconozcan

quiénes son sus vecinos.

So this is what we call anonymity.

Esto es lo que llamamos anonimato.

Ahora quiero mostrarles

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

un video

de 20 pequeños robots

flying in formation.

que vuelan en formación.

Observan la posición de sus vecinos.

They're monitoring their neighbors' positions.

Mantienen la formación.

They're maintaining formation.

The formations can change.

Las formaciones pueden cambiar.

They can be planar formations,

Pueden ser formaciones planas,

they can be three-dimensional formations.

pueden ser tridimensionales.

Como pueden ver aquí

As you can see here,

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

pasan de una formación tridimensional a una formación plana.

Y para volar sorteando obstáculos

And to fly through obstacles,

they can adapt the formations on the fly.

pueden modificar las formaciones sobre la marcha.

Estos robots pueden acercarse mucho unos a otros.

So again, these robots come really close together.

As you can see in this figure-eight flight,

Como pueden ver en este vuelo en forma de 8,

they come within inches of each other.

están a centímetros unos de otros.

Y a pesar de las interacciones aerodinámicas

And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades,

de las palas de las hélices,

they're able to maintain stable flight.

pueden mantener un vuelo estable.

(Applause)

(Aplausos)

Así que una vez que uno sabe volar en formación,

So once you know how to fly in formation,

puede levantar objetos en forma colaborativa.

you can actually pick up objects cooperatively.

Esto demuestra

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

que podemos duplicar, triplicar, cuadruplicar,

la fuerza del robot

the robots' strength,

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

con sólo hacerlo trabajar en equipo con sus vecinos, como ven aquí.

Una de las desventajas de esto,

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

a medida que agrandamos la escala,

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

es que si tenemos muchos robots llevando la misma cosa

efectivamente aumentamos la inercia

you're essentially increasing the inertia,

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

y por ende pagamos un precio: no son tan ágiles.

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

Pero lo ganamos en términos de capacidad de carga útil.

Esta es otra aplicación que quiero mostrarles

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

de nuestro laboratorio.

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

Es un trabajo de Quentin Lindsey, un estudiante graduado.

Su algoritmo le dice al robot

So his algorithm essentially tells these robots

cómo construir en forma autónoma

how to autonomously build cubic structures

estructuras cúbicas

con armazones.

from truss-like elements.

Su algoritmo le dice al robot

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

qué parte levantar,

cuándo y dónde ubicarlo.

when, and where to place it.

En este video vemos

So in this video you see --

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

-está acelerado de 10 a 14 veces-

a los robots construyendo tres estructuras diferentes

you see three different structures being built by these robots.

Y nuevamente de manera autónoma,

And again, everything is autonomous,

lo que Quentin hace

and all Quentin has to do

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

es darles un plano

del diseño que quiere que construyan.

So all these experiments you've seen thus far,

Todos estos experimentos que hemos visto hasta ahora,

all these demonstrations,

todas estas demostraciones,

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

requieren sistemas de captura de movimiento.

Pero, ¿qué pasa cuando salimos del laboratorio

So what happens when you leave your lab,

y vamos al mundo real?

and you go outside into the real world?

And what if there's no GPS?

¿Y si no hay GPS?

So this robot is actually equipped with a camera,

Pues este robot

está equipado con una cámara

y un telémetro láser de Hokuyo.

and a laser rangefinder, laser scanner.

Y usa estos sensores

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

para trazar un mapa del entorno.

Ese mapa tiene características

What that map consists of are features --

como puertas, ventanas,

like doorways, windows, people, furniture --

gente, muebles...

y calcula su posición

and it then figures out where its position is,

respecto de esas características.

with respect to the features.

So there is no global coordinate system.

No hay sistema de posicionamiento global.

El sistema de coordenadas se define respecto del robot,

The coordinate system is defined based on the robot,

where it is and what it's looking at.

dónde está y hacia dónde mira.

And it navigates with respect to those features.

Y navega siguiendo estas características.

Por eso quiero mostrarles un video

So I want to show you a clip

of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael,

de algoritmos desarrollados por Frank Shen

y el profesor Nathan Michael

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

que muestra al robot entrando por primera vez al edificio

and creating this map on the fly.

y trazando este mapa sobre la marcha.

So the robot then figures out what the features are,

El robot descubre las características.

it builds the map,

Traza el mapa.

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

Descubre dónde está respecto de las características

and then estimates its position 100 times a second,

y luego estima su posición

100 veces por segundo

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

y nos permite usar los algoritmos de control

que les describí antes.

So this robot is actually being commanded remotely by Frank,

Así que este robot es comandado

a distancia por Frank.

Pero el robot puede averiguar

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

a dónde ir por su cuenta.

Supongan que lo enviara a un edificio

So suppose I were to send this into a building,

y no tuviera idea del aspecto del edificio,

and I had no idea what this building looked like.

puedo pedirle al robot que entre,

I can ask this robot to go in,

que trace un mapa

create a map,

y luego regrese y me diga cómo es el edificio.

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

So here, the robot is not only solving the problem

Aquí, el robot no sólo resuelve el problema

de cómo ir del punto A al punto B en este mapa,

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.

sino que averigua

cuál es el mejor punto B en cada momento.

En esencia, sabe dónde ir

So essentially it knows where to go

to look for places that have the least information,

a buscar lugares con la menor información.

Así es como completa el mapa.

and that's how it populates this map.

So I want to leave you with one last application.

Y quiero despedirme

con una última aplicación.

And there are many applications of this technology.

Es una tecnología que tiene muchas aplicaciones.

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

Soy profesor y me apasiona la educación.

Robots como estos pueden cambiar el modo

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

de educar desde la ed. preescolar hasta los 12 años.

Pero estamos en el sur de California,

But we're in Southern California,

cerca de Los Ángeles,

close to Los Angeles,

así que tengo que cerrar

so I have to conclude with something focused on entertainment.

con algo de entretenimiento.

Quiero concluir con un video musical.

I want to conclude with a music video.

Quiero presentarles a los creadores, Alex y Daniel,

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

ellos crearon el video.

(Aplausos)

(Applause)

So before I play this video,

Pero antes de reproducir el video

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

quiero que sepan que lo crearon en los últimos tres días

after getting a call from Chris.

después de una llamada de Chris.

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

Y los robots que actúan en el video

son completamente autónomos.

You will see nine robots play six different instruments.

Verán a nueve robots ejecutar seis instrumentos diferentes.

Y, claro, está hecho exclusivamente para TED 2012.

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

Veamos.

Let's watch.

(Sound of air escaping from valve)

(Music)

(Whirring sound)

(Music)

(Música)

(Aplausos)

(Applause) (Cheers)