Robots that fly ... and cooperate | Vijay Kumar

Traduttore: Daniele Buratti Revisore: Ana María Pérez

Good morning.

Buongiorno.

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

Oggi mi trovo qui per parlarvi

di palloni da spiaggia che volano da soli.

(Laughter)

Scherzo, si tratta di agili robot volanti come questo.

No, agile aerial robots like this one.

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

Vorrei dirvi delle difficoltà che abbiamo affrontato per costruirli,

e di alcune delle incredibili opportunità

and some of the terrific opportunities for applying this technology.

che questa tecnologia offre.

So these robots are related to unmanned aerial vehicles.

Questi robot

sono come gli aeromobili a pilotaggio remoto,

solo che questi ultimi sono molto grandi,

However, the vehicles you see here are big.

pesano qualche tonnellata

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

e non sono affatto agili.

They're not even autonomous.

Non sono nemmeno autonomi.

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

Infatti molti di questi velivoli

sono gestiti da personale a terra,

tra cui diversi piloti,

that can include multiple pilots,

operators of sensors,

operatori di sensori

and mission coordinators.

e coordinatori di missione.

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

Quello che a noi interessa nello sviluppare i nostri robot -

ecco qui due immagini -

and here are two other pictures --

è di poterli vendere direttamente in negozio.

of robots that you can buy off the shelf.

Qui vediamo degli elicotteri a quattro rotori,

So these are helicopters with four rotors,

lunghi circa un metro

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

e dal peso di qualche chilo.

and weigh several pounds.

Abbiamo aggiunto sensori e processori

And so we retrofit these with sensors and processors,

per farli volare all'interno di edifici

and these robots can fly indoors.

senza l'aiuto del GPS.

Without GPS.

Il robot che sto tenendo in mano

The robot I'm holding in my hand

è proprio questo;

is this one,

è stato realizzato da due studenti,

and it's been created by two students,

Alex e Daniel.

Alex and Daniel.

Pesa circa

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

mezzo etto

It consumes about 15 watts of power.

e consuma intorno ai 15 watt di corrente.

Come potete vedere,

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

ha un diametro di circa 20 centimetri.

Ora vi farò una breve dimostrazione

So let me give you just a very quick tutorial

on how these robots work.

del funzionamento del robot.

Ha quattro rotori.

So it has four rotors.

If you spin these rotors at the same speed,

Se li fate girare alla stessa velocità

the robot hovers.

il robot rimane sospeso.

If you increase the speed of each of these rotors,

Se ne aumentate la velocità

si alza in verticale.

then the robot flies up, it accelerates up.

Of course, if the robot were tilted,

Naturalmente se il robot si trova

in posizione orizzontale,

inclined to the horizontal,

then it would accelerate in this direction.

l'accelerazione avverrà in quella direzione.

So to get it to tilt,

Per farlo piegare da un lato, ecco il primo modo per farlo.

there's one of two ways of doing it.

In questa immagine

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

vedete che il rotore 4 gira più velocemente

and rotor two is spinning slower.

mentre il 2 è più lento.

And when that happens,

In questo caso

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

si crea un momento che fa inclinare il robot.

Allo stesso modo,

And the other way around,

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

se si aumenta la velocità del rotore tre

e si riduce quella del rotore uno,

il robot si sposta in avanti.

then the robot pitches forward.

And then finally,

Ed infine,

if you spin opposite pairs of rotors

se si fanno girare più velocemente

faster than the other pair,

coppie opposte di rotori,

then the robot yaws about the vertical axis.

il robot si imbarda sull'asse verticale.

Dunque il processore del robot

So an on-board processor

essentially looks at what motions need to be executed

analizza, in pratica, i vari movimenti da effettuare

e li combina pianificando

and combines these motions,

il tipo di impulsi da inviare ai motori,

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

600 volte al secondo.

600 times a second.

That's basically how this thing operates.

Questo è il funzionamento di base.

Uno dei vantaggi del progetto è che,

So one of the advantages of this design

riducendo le dimensioni,

is when you scale things down,

il robot ovviamente guadagna in agilità.

the robot naturally becomes agile.

Qui R indica

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

la lunghezza caratteristica del robot.

Di fatto è la metà del diametro.

It's actually half the diameter.

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

E sono svariati i parametri fisici che cambiano

riducendo il fattore R.

The one that's most important is the inertia,

Quello più importante

è l'inerzia o resistenza al movimento.

or the resistance to motion.

Ne risulta che

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

l'inerzia, che controlla il movimento angolare,

diminuisce come quinta potenza di R.

scales as a fifth power of R.

Perciò più si riduce R

So the smaller you make R,

the more dramatically the inertia reduces.

più si riduce l'inerzia, e in modo esponenziale.

So as a result, the angular acceleration,

Il risultato è che l'accelerazione angolare

denoted by the Greek letter alpha here,

indicata dalla lettera alfa

goes as 1 over R.

diventa uno fratto R.

It's inversely proportional to R.

E' inversamente proporzionale a R.

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

Più la si riduce, più aumenta la rapidità della virata.

Si capisce chiaramente dai video.

So this should be clear in these videos.

In basso a destra vedete un robot

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

che fa un giro su se stesso di 360°

in less than half a second.

in meno di mezzo secondo.

Multiple flips, a little more time.

Per eseguire giri multipli ci vuole un po' di più.

Tutte le manovre ricevono

So here the processes on board

un feedback dagli accelerometri

are getting feedback from accelerometers and gyros on board,

e dai giroscopi di bordo,

and calculating, like I said before,

e calcolano i comandi, come vi dicevo,

commands at 600 times a second,

600 volte al secondo

to stabilize this robot.

per stabilizzare il robot.

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

A sinistra vedete Daniel che lancia il robot in aria.

and it shows you how robust the control is.

E vedete quanto il controllo del movimento sia totale.

Non importa come lo si lancia,

No matter how you throw it,

the robot recovers and comes back to him.

il robot stabilizza la sua traiettoria e torna indietro.

So why build robots like this?

Ma perché costruiamo questi robot?

Beh, robot come questi hanno molti impieghi.

Well, robots like this have many applications.

Potreste inviarli all'interno di edifici come questo

You can send them inside buildings like this,

as first responders to look for intruders,

come primo intervento per il controllo di intrusi,

o magari per cercare delle perdite biochimiche,

maybe look for biochemical leaks,

o di gas.

gaseous leaks.

Si possono usare

You can also use them for applications like construction.

anche per le costruzioni.

So here are robots carrying beams, columns

Qui li vedete trasportare travi, colonne,

e assemblare delle strutture cubiche.

and assembling cube-like structures.

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

Vi dirò qualcosa in più su questo.

The robots can be used for transporting cargo.

I robot si possono impiegare per trasportare materiali.

So one of the problems with these small robots

E uno dei problemi è rappresentato

is their payload-carrying capacity.

dalla loro modesta capacità di carico.

So you might want to have multiple robots carry payloads.

Ma si possono combinare diversi robot

per aumentarla.

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

Questa è un'immagine di un nostro recente esperimento -

beh, non tanto recente, ormai -

actually not so recent anymore --

in Sendai, shortly after the earthquake.

condotto a Sendai dopo il terremoto.

So robots like this could be sent into collapsed buildings,

Questi robot potrebbero volare all'interno di edifici crollati

per stimare l'entità dei danni causati da disastri naturali,

to assess the damage after natural disasters,

o in edifici esposti a radiazioni

or sent into reactor buildings,

to map radiation levels.

per determinarne il livello di pericolosità.

So one fundamental problem that the robots have to solve

Il problema fondamentale

da risolvere è dare loro autonomia di calcolo

if they are to be autonomous,

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

per stabilire come spostarsi

dal punto A al punto B.

So this gets a little challenging,

Qui le cose si complicano un po'

because the dynamics of this robot are quite complicated.

per via dell'intrinseca complessità dinamica dei robot.

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

Infatti si devono spostare in uno spazio a 12 dimensioni.

Così ricorriamo a un trucchetto.

So we use a little trick.

We take this curved 12-dimensional space,

Prendiamo questo spazio curvo 12-dimensionale

e lo trasformiamo

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

in uno a 4 dimensioni.

Quest'ultimo è costituito

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

da X, Y, Z, e dall'angolo di imbardata.

and then the yaw angle.

And so what the robot does,

Quello che fa il robot

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

è pianificare la traiettoria più breve e veloce.

In fisica, come ricorderete,

So to remind you of physics:

You have position, derivative, velocity;

abbiamo posizione, derivata, velocità,

then acceleration;

poi accelerazione,

and then comes jerk,

quindi contrazione

and then comes snap.

e poi scatto.

So this robot minimizes snap.

E questo robot minimizza lo scatto.

So what that effectively does,

Di fatto produce

is produce a smooth and graceful motion.

un movimento lineare e aggraziato.

And it does that avoiding obstacles.

E lo fa evitando eventuali ostacoli.

Dunque queste traiettorie a scatto ridotto nello spazio piatto

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

vengono adattate

back into this complicated 12-dimensional space,

a questo complicato spazio 12-dimensionale,

che il robot deve analizzare

which the robot must do for control and then execution.

e poi eseguire.

So let me show you some examples

Lasciate che vi mostri alcuni esempi

of what these minimum-snap trajectories look like.

di questo tipo di traiettoria.

Nel primo video

And in the first video,

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

vediamo il robot che va da A a B passando

per un punto intermedio.

through an intermediate point.

(Whirring noise)

Ovviamente il robot riesce a eseguire

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

qualsiasi traiettoria curva.

Queste sono traiettorie circolari

So these are circular trajectories,

where the robot pulls about two G's.

che imprimono accelerazioni di due G.

Here you have overhead motion capture cameras on the top

Le microcamere di bordo dicono al robot

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

dove si trova, 100 volte al secondo.

It also tells the robot where these obstacles are.

E gli indicano la posizione degli ostacoli.

Ostacoli che possono muoversi.

And the obstacles can be moving.

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

Qui si vede Daniel mentre lancia un cerchio in aria,

while the robot is calculating the position of the hoop,

e il robot che calcola la posizione del cerchio

per scegliere il momento adatto per attraversarlo.

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

Come accademici

So as an academic,

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

siamo abituati a fare salti mortali per raccogliere fondi per i nostri esperimenti,

to raise funding for our labs,

ma qui lo facciamo fare ai robot.

and we get our robots to do that.

(Applause)

(Applausi)

Un'altra cosa che i robot possono fare

So another thing the robot can do

è memorizzare segmenti di traiettoria

is it remembers pieces of trajectory

that it learns or is pre-programmed.

pre-programmati o che apprendono da sé.

Qui vedete il robot

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

che combina un movimento

per prendere velocità,

and then changes its orientation and then recovers.

e poi modifica assetto e torna in posizione normale.

E' obbligato a farlo perché l'apertura attraverso cui

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

is only slightly larger than the width of the robot.

deve passare è di poco più larga del robot.

E alla stregua di un tuffatore sul trampolino,

So just like a diver stands on a springboard

and then jumps off it to gain momentum,

che salta per prendere lo slancio sufficiente

per eseguire piroetta e doppia capriola,

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

per poi rimettersi in assetto con grazia,

and then gracefully recovers,

this robot is basically doing that.

anche il robot esegue le sue evoluzioni.

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

Dunque sa combinare piccoli segmenti di traiettoria

to do these fairly difficult tasks.

per eseguire dei compiti alquanto complessi.

Ma passiamo ad altro.

So I want change gears.

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

Uno degli svantaggi di questi piccoli robot è la loro dimensione.

Vi dicevo poc'anzi

And I told you earlier

that we may want to employ lots and lots of robots

che sarebbe possibile utilizzare svariati robottini

per superare i limiti imposti dalle dimensioni.

to overcome the limitations of size.

Ma una delle difficoltà

So one difficulty is:

How do you coordinate lots of these robots?

è come coordinare il loro movimento in gruppo.

And so here, we looked to nature.

E così abbiamo guardato alla natura.

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

Vorrei mostrarvi un video

sulle formiche del deserto, le aphaenogaster,

nel laboratorio del Prof.Stephen Pratt, mentre trasportano un oggetto.

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

E' un pezzetto di fico.

So this is actually a piece of fig.

Basta che qualsiasi oggetto sia ricoperto di succo di fico

Actually you take any object coated with fig juice,

perché le formiche se lo portino nel loro nido.

and the ants will carry it back to the nest.

So these ants don't have any central coordinator.

Queste formiche non hanno un coordinamento centrale.

Si basano sulle loro vicine.

They sense their neighbors.

Nessuna comunicazione esplicita.

There's no explicit communication.

Ma dato che si relazionano alle vicine

But because they sense the neighbors

e che sono in contatto con l'oggetto,

and because they sense the object,

they have implicit coordination across the group.

esiste nel gruppo una coordinazione implicita.

Ed è proprio il tipo di coordinazione

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

che serve ai nostri robot.

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

Quindi quando un robot

è circondato da altri robot -

prendiamo i robot I e J -

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

quello che vogliamo che facciano

what we want the robots to do,

è monitorare la distanza reciproca

is to monitor the separation between them,

as they fly in formation.

mentre volano in formazione.

And then you want to make sure

E poi vorrete accertarvi

that this separation is within acceptable levels.

che la distanza rientri in limiti accettabili.

Dunque i robot monitorano questo errore

So again, the robots monitor this error

and calculate the control commands 100 times a second,

e ricalcolano i comandi di controllo

100 volte al secondo,

which then translates into motor commands,

il che si traduce in 600 volte al secondo per i comandi dei motori.

600 times a second.

E anche questo deve poter essere fatto

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

in maniera decentralizzata.

Again, if you have lots and lots of robots,

Di nuovo, se fate volare grandi quantità di robot,

è impossibile coordinare centralmente tutte le informazioni

it's impossible to coordinate all this information centrally

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

abbastanza rapidamente da far loro portare a termine il lavoro.

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

Inoltre i robot devono basare le loro azioni

solo su informazioni locali,

su ciò che percepiscono dai loro vicini.

what they sense from their neighbors.

Ed infine vogliamo

And then finally,

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

che i robot siano agnostici

nei confronti dei loro vicini.

So this is what we call anonymity.

E' ciò che chiamiamo anonimato.

Ora vi mostrerò

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

un video

di 20 piccoli robot

flying in formation.

che volano in formazione.

Controllano la posizione dei loro vicini.

They're monitoring their neighbors' positions.

Si mantengono in formazione.

They're maintaining formation.

The formations can change.

Le formazioni possono cambiare.

They can be planar formations,

Possono essere disposte

they can be three-dimensional formations.

su un piano orizzontale o tridimensionale.

Come potete vedere

As you can see here,

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

cambiano formazione, da una tridimensionale ad una orizzontale.

E per volare attraverso gli ostacoli

And to fly through obstacles,

they can adapt the formations on the fly.

riescono rapidamente ad adattare la formazione.

E volano a distanza veramente ravvicinata.

So again, these robots come really close together.

As you can see in this figure-eight flight,

Come vedete in questo volo a forma di 8,

they come within inches of each other.

volano a pochi centimetri uno dall'altro.

E malgrado le interazioni aerodinamiche

And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades,

delle loro pale,

they're able to maintain stable flight.

il volo resta stabile.

(Applause)

(Applausi)

E se riescono a volare in formazione

So once you know how to fly in formation,

saranno anche in grado di sollevare degli oggetti, tutti insieme.

you can actually pick up objects cooperatively.

Vuol dire che potremo

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

aumentare di due, tre, quattro volte

la forza dei robot

the robots' strength,

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

semplicemente facendoli lavorare insieme ai loro vicini.

Uno degli svantaggi è che, con l'aumentare

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

delle dimensioni degli oggetti -

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

e dunque con tantissimi robot che trasportano la stessa cosa -

essenzialmente aumenta l'inerzia,

you're essentially increasing the inertia,

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

e quindi il prezzo da pagare è una minore agilità.

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

Ma si guadagna in termini di capacità di carico.

Vi mostro un'altra applicazione -

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

ancora nel nostro laboratorio.

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

E' il lavoro di ricerca di un neolaureato, Quentin Lindsey.

Attraverso il suo algoritmo chiede ai robot

So his algorithm essentially tells these robots

di costruire in modo autonomo

how to autonomously build cubic structures

delle strutture cubiche

usando elementi sfusi.

from truss-like elements.

Dunque l'algoritmo indica al robot

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

l'elemento da prelevare,

quando e dove posizionarlo.

when, and where to place it.

In questo video,

So in this video you see --

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

velocizzato di 10-14 volte,

vedete tre strutture differenti che vengono costruite dai robot.

you see three different structures being built by these robots.

E fanno tutto da soli,

And again, everything is autonomous,

l'unica cosa che fa Quentin

and all Quentin has to do

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

è dar loro una piantina

del disegno della costruzione.

So all these experiments you've seen thus far,

Tutti gli esperimenti che avete visto finora,

all these demonstrations,

tutte queste dimostrazioni,

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

sono stati realizzati usando sistemi di motion capture.

Ma che succede quando uscite dal laboratorio

So what happens when you leave your lab,

e andate nel mondo reale?

and you go outside into the real world?

And what if there's no GPS?

E se non avete un GPS?

So this robot is actually equipped with a camera,

Questo robot

dispone di una videocamera

e di un cercatore laser H, uno scansionatore laser.

and a laser rangefinder, laser scanner.

Usa questi sensori

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

per creare una mappa dell'ambiente circostante.

Nella mappa sono rappresentate

What that map consists of are features --

porte, finestre,

like doorways, windows, people, furniture --

persone, mobilio,

e il robot riesce a calcolare la propria posizione

and it then figures out where its position is,

rispetto a questi oggetti.

with respect to the features.

So there is no global coordinate system.

Quindi non c'è alcun sistema globale di coordinate.

Questo sistema viene definito dallo stesso robot,

The coordinate system is defined based on the robot,

where it is and what it's looking at.

dalla sua ubicazione e da ciò che vede.

And it navigates with respect to those features.

E naviga in base a questi parametri.

Ora vi mostrerò un video

So I want to show you a clip

of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael,

degli algoritmi sviluppati da Frank Shen

e dal Prof. Nathan Michael,

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

in cui un robot entra per la prima volta in un edificio

and creating this map on the fly.

e ne ricrea la mappa mentre si sposta.

So the robot then figures out what the features are,

Quindi il robot analizza le caratteristiche dell'ambiente.

it builds the map,

Ne realizza una mappa.

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

Calcola la sua posizione rispetto agli oggetti

and then estimates its position 100 times a second,

e ricalcola la propria posizione

100 volte al secondo,

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

permettendoci di usare gli algoritmi di controllo

che vi descrivevo prima.

So this robot is actually being commanded remotely by Frank,

Dunque questo robot viene di fatto comandato

in remoto da Frank.

Ma il robot è in grado di capire da solo

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

dove deve andare.

Immaginate che debba inviare il robot in un edificio

So suppose I were to send this into a building,

di cui non conosco assolutamente alcuna caratteristica,

and I had no idea what this building looked like.

posso chiedere al robot di entrare,

I can ask this robot to go in,

crearne una mappa

create a map,

e tornare da me e dirmi com'è fatto l'edificio.

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

So here, the robot is not only solving the problem

Qui il robot non si limita a risolvere il problema

dello spostamento da A a B su questa mappa,

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.

ma ricalcola continuamente

dove si trovi il miglior punto B.

Essenzialmente sa dove andare

So essentially it knows where to go

to look for places that have the least information,

per cercare i luoghi di cui possiede meno informazioni.

Ed è così che arricchisce la sua mappa.

and that's how it populates this map.

So I want to leave you with one last application.

Vi farò vedere

un'ultima applicazione.

And there are many applications of this technology.

Questa tecnologia ha svariate applicazioni.

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

Noi professori siamo appassionati di sistemi educativi.

Dei robot così possono realmente cambiare

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

il metodo educativo scolastico.

Ma ci troviamo nella California Meridionale,

But we're in Southern California,

nei pressi di Los Angeles,

close to Los Angeles,

dunque devo concludere

so I have to conclude with something focused on entertainment.

con qualcosa di divertente.

Vi mostrerò un video musicale.

I want to conclude with a music video.

Ecco coloro che l'hanno realizzato,

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

Alex e Daniel.

(Applausi)

(Applause)

So before I play this video,

Ma prima vi voglio dire

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

che l'hanno prodotto in soli tre giorni,

after getting a call from Chris.

dopo aver ricevuto una chiamata da Chris.

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

E i robot che vedrete

sono del tutto autonomi.

You will see nine robots play six different instruments.

Vedrete nove robot che suonano sei diversi strumenti.

Ovviamente l'hanno preparato in esclusiva per TED 2012.

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

Vediamo.

Let's watch.

(Sound of air escaping from valve)

(Music)

(Whirring sound)

(Music)

(Musica)

(Applausi)

(Applause) (Cheers)