Robots that fly ... and cooperate | Vijay Kumar

Tłumaczenie: Bartłomiej Szóstak Korekta: Grzegorz Partyka

Good morning.

Dzień dobry.

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

Dziś będę mówić

o autonomicznych, latających piłkach plażowych.

(Laughter)

Nie. Oczywiście o takich robotach, jak ten tutaj.

No, agile aerial robots like this one.

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

Chciałbym opowiedzieć wam o wyzwaniach w ich konstruowaniu

i o niektórych niesamowitych możliwościach

and some of the terrific opportunities for applying this technology.

wykorzystania tej technologii.

So these robots are related to unmanned aerial vehicles.

Te roboty

nawiązują do bezzałogowych statków powietrznych.

Jednak te, które tu widzicie, są duże.

However, the vehicles you see here are big.

Ważą tysiące kilogramów

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

i w żadnym razie nie są zwinne.

They're not even autonomous.

Nie są nawet autonomiczne.

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

Tak naprawdę wiele z nich

jest sterowanych przez załogi,

w skład których wchodzi wielu pilotów,

that can include multiple pilots,

operators of sensors,

operatorów czujników

and mission coordinators.

i koordynatorów misji.

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

Jesteśmy zainteresowani rozwojem takich robotów -

są jeszcze 2 inne zdjęcia -

and here are two other pictures --

robotów, które możecie kupić w sklepie.

of robots that you can buy off the shelf.

To są helikoptery z 4 wirnikami,

So these are helicopters with four rotors,

mają około metra długości

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

i ważą kilka kilogramów.

and weigh several pounds.

Ulepszamy je czujnikami i procesorami,

And so we retrofit these with sensors and processors,

mogą więc latać wewnątrz budynków

and these robots can fly indoors.

bez GPS.

Without GPS.

Robot, którego mam w ręce

The robot I'm holding in my hand

jest jednym z nich

is this one,

i został stworzony przez 2 studentów,

and it's been created by two students,

Alexa i Daniela.

Alex and Daniel.

Waży nieco ponad 50 gramów.

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

Waży nieco ponad 50 gramów.

It consumes about 15 watts of power.

Zużywa około 15 W energii

i jak widać,

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

ma około 20 cm średnicy.

Pozwólcie, że szybko pokażę wam,

So let me give you just a very quick tutorial

on how these robots work.

jak te roboty działają.

Ten robot ma 4 wirniki.

So it has four rotors.

If you spin these rotors at the same speed,

Jeśli obracają się z tą samą prędkością,

the robot hovers.

robot zawiśnie w powietrzu.

If you increase the speed of each of these rotors,

Jeśli zwiększymy prędkość któregoś z wirników,

robot leci w górę, przyspiesza.

then the robot flies up, it accelerates up.

Of course, if the robot were tilted,

Jeśli byłby przechylony

w poziomie,

inclined to the horizontal,

then it would accelerate in this direction.

przyspieszyłby właśnie w tym kierunku.

So to get it to tilt,

Przechył można wywołać na 2 sposoby.

there's one of two ways of doing it.

Na tym rysunku widać

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

wirnik nr 4 obracający się szybciej

and rotor two is spinning slower.

i wirnik nr 2 obracający się wolniej.

And when that happens,

Wtedy robot

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

zaczyna się obracać.

Teraz w drugą stronę.

And the other way around,

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

Zwiększenie prędkości wirnika nr 3

i zmniejszenie prędkości wirnika nr 1

spowoduje przechylenie się robota do przodu.

then the robot pitches forward.

And then finally,

Wreszcie,

if you spin opposite pairs of rotors

obracając przeciwległe wirniki

faster than the other pair,

szybciej niż pozostałe dwa,

then the robot yaws about the vertical axis.

spowodujemy, że robot obróci się w osi pionowej.

Procesor pokładowy

So an on-board processor

essentially looks at what motions need to be executed

sprawdza jakie ruchy należy wykonać,

łączy je

and combines these motions,

i decyduje, jakie komendy wysłać do wirników

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

600 razy na sekundę.

600 times a second.

That's basically how this thing operates.

W taki sposób działają te roboty.

Jedną z zalet takiej konstrukcji jest to,

So one of the advantages of this design

że zmniejszając skalę,

is when you scale things down,

roboty w naturalny sposób stają się zwinne.

the robot naturally becomes agile.

Tutaj R

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

jest tzw. "długością charakterystyczną" robota.

Dokładnie połową jego średnicy.

It's actually half the diameter.

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

Wiele parametrów fizycznych zmienia się,

gdy zmniejszamy R.

The one that's most important is the inertia,

Najważniejszym jest

inercja (moment bezwładności) lub opór ruchu.

or the resistance to motion.

Okazuje się,

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

że inercja, która decyduje o ruchu kątowym,

równa się R do potęgi piątej.

scales as a fifth power of R.

Więc im mniejsze R,

So the smaller you make R,

the more dramatically the inertia reduces.

tym gwałtowniej zmniejsza się inercja.

So as a result, the angular acceleration,

W rezultacie, przyspieszenie kątowe

denoted by the Greek letter alpha here,

oznaczone grecką literą α (alfa),

goes as 1 over R.

wynosi ułamek 1 / R.

It's inversely proportional to R.

Jest odwrotnie proporcjonalne do R.

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

Im jest mniejsze, tym łatwiej skręcić.

Na filmach widać to najlepiej.

So this should be clear in these videos.

U dołu po prawej stronie mamy robota

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

wykonującego przewrót o 360 stopni

in less than half a second.

w mniej niż pół sekundy.

Multiple flips, a little more time.

Wielokrotne przewroty zajmują trochę więcej czasu.

Procesory pokładowe

So here the processes on board

otrzymują dane od czujników przyspieszenia

are getting feedback from accelerometers and gyros on board,

i żyroskopów

and calculating, like I said before,

i obliczają, jak już wspomniałem wcześniej,

commands at 600 times a second,

komendy 600 razy na sekundę

to stabilize this robot.

by stabilizować robota.

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

Po lewej widzimy Daniela rzucającego robota w powietrze.

and it shows you how robust the control is.

Widać tu, jak skuteczna jest kontrola nad lotem.

Nieważne jak go rzucić,

No matter how you throw it,

the robot recovers and comes back to him.

robot odzyskuje równowagę i wraca.

So why build robots like this?

Po co budować takie roboty?

Takie roboty maja wiele zastosowań.

Well, robots like this have many applications.

Można je wysłać do budynków, takich jak ten,

You can send them inside buildings like this,

as first responders to look for intruders,

jako siły szybkiego reagowania w poszukiwaniu intruzów,

mogą szukać wycieków biochemicznych,

maybe look for biochemical leaks,

wycieków gazu.

gaseous leaks.

Można ich używać

You can also use them for applications like construction.

również w budownictwie.

So here are robots carrying beams, columns

Tu widzimy roboty przenoszące belki, kolumny

i montujące konstrukcje sześcienne.

and assembling cube-like structures.

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

Opowiem o tym trochę więcej.

The robots can be used for transporting cargo.

Można je wykorzystać do transportu ładunków.

So one of the problems with these small robots

Problem tych robotów

is their payload-carrying capacity.

to ich ładowność.

So you might want to have multiple robots carry payloads.

Potrzeba wielu robotów

by przenosić ładunki.

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

To zdjęcie z przeprowadzonego przez nas ostatnio eksperymentu,

może nie aż tak ostatnio,

actually not so recent anymore --

in Sendai, shortly after the earthquake.

w Sendai krótko po trzęsieniu ziemi.

So robots like this could be sent into collapsed buildings,

Te roboty można wysyłać do zawalonych budynków

w celu oceny uszkodzeń w katastrofach naturalnych,

to assess the damage after natural disasters,

lub do radioaktywnych budynków

or sent into reactor buildings,

to map radiation levels.

w celu zmierzenia poziomu promieniowania.

So one fundamental problem that the robots have to solve

Głównym problemem,

jaki roboty muszą rozwiązać, jeśli mają być autonomiczne,

if they are to be autonomous,

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

to zasadniczo odkrycie

jak dostać się z punktu A do puntu B.

So this gets a little challenging,

Jest to nie lada wyzwanie,

because the dynamics of this robot are quite complicated.

ponieważ dynamika tego robota jest dość skomplikowana.

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

Funkcjonują dosłownie w 12-wymiarowej przestrzeni.

Używamy więc pewnej sztuczki.

So we use a little trick.

We take this curved 12-dimensional space,

Bierzemy tę zakrzywioną 12-wymiarową przestrzeń

i ją modyfikujemy

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

w płaską przestrzeń 4-wymiarową.

A ta przestrzeń 4-wymiarowa

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

składa się z X, Y, Z i kąta odchylenia.

and then the yaw angle.

And so what the robot does,

Robot planuje

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

coś, co nazywamy trajektorią minimalnych drgań.

Jak pamiętamy z fizyki,

So to remind you of physics:

You have position, derivative, velocity;

mamy położenie, pochodną, prędkość,

then acceleration;

potem przyspieszenie,

and then comes jerk,

następnie zryw,

and then comes snap.

a później drganie.

So this robot minimizes snap.

Ten robot minimalizuje drganie.

So what that effectively does,

W rezultacie

is produce a smooth and graceful motion.

wykonuje płynny i pełen gracji ruch.

And it does that avoiding obstacles.

Robi to unikając przeszkód.

W tej płaskiej przestrzeni te trajektorie minimalnych drań

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

są następnie zamieniane z powrotem

back into this complicated 12-dimensional space,

na tę skomplikowaną przestrzeń 12-wymiarową,

którą robot musi przetworzyć

which the robot must do for control and then execution.

dla kontroli i działania.

So let me show you some examples

Przedstawię przykłady na to,

of what these minimum-snap trajectories look like.

jak wyglądają te trajektorie minimalnych drgań.

Na pierwszym video

And in the first video,

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

zobaczycie robota zmierzającego z punktu A do punktu B,

przez punkt pośredni.

through an intermediate point.

(Whirring noise)

Robot może

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

poruszać się po każdej krzywej trajektorii.

To są trajektorie kołowe,

So these are circular trajectories,

where the robot pulls about two G's.

gdzie robot osiąga przeciążenie wartości 2 G.

Here you have overhead motion capture cameras on the top

U góry umieszczone są kamery wykrywające ruch,

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

które informują robota o jego położeniu 100 razy na sekundę.

It also tells the robot where these obstacles are.

Podają również robotowi położenie przeszkód,

które mogą być ruchome.

And the obstacles can be moving.

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

Tutaj Daniel podrzuca w powietrzu hula-hop,

while the robot is calculating the position of the hoop,

a robot oblicza jego położenie

i próbuje obrać najlepszą drogę przez jego środek.

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

Jako pracownicy akademiccy,

So as an academic,

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

zawsze jesteśmy szkoleni, by umieć przeskoczyć przez przeszkody

to raise funding for our labs,

w celu zebrania funduszy na badania, a teraz robią to za nas roboty.

and we get our robots to do that.

(Applause)

(Oklaski)

Roboty potrafią również

So another thing the robot can do

zapamiętywać elementy trajektorii,

is it remembers pieces of trajectory

that it learns or is pre-programmed.

których się uczą lub są im zaprogramowane.

Tu widzimy robota

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

wykonującego sekwencję ruchów,

który nabiera pędu,

and then changes its orientation and then recovers.

potem zmienia pozycję lotu i odzyskuje równowagę.

Musi to robić, ponieważ otwór w okienku

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

is only slightly larger than the width of the robot.

jest niewiele większy od szerokości robota.

Jak skoczek stojący na trampolinie,

So just like a diver stands on a springboard

and then jumps off it to gain momentum,

skaczący by nabrać pędu,

który później wykonuje obroty, te 2,5 salta

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

i z gracją odzyskuje równowagę,

and then gracefully recovers,

this robot is basically doing that.

mniej więcej to robi ten robot.

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

Robot wie jak łączyć odpowiednie elementy trajektorii,

to do these fairly difficult tasks.

by wykonać te dość trudne zadania.

Chciałbym teraz zmienić temat.

So I want change gears.

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

Jedną z wad tych małych robotów jest ich rozmiar.

Jak wspomniałem wcześniej,

And I told you earlier

that we may want to employ lots and lots of robots

możemy potrzebować wielu robotów,

by pokonać ograniczenia ich rozmiarów.

to overcome the limitations of size.

Jedną z trudności jest to,

So one difficulty is:

How do you coordinate lots of these robots?

jak skoordynować dużą liczbę robotów?

And so here, we looked to nature.

Tu z pomocą przyszła natura.

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

Pokażę wam film

o pustynnych mrówkach Aphaenogaster,

które w laboratorium prof. Stephena Pratta przenoszą przedmiot.

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

To kawałek figi.

So this is actually a piece of fig.

Można użyć czegokolwiek pokrytego sokiem figowym,

Actually you take any object coated with fig juice,

a mrówki zaniosą to do gniazda.

and the ants will carry it back to the nest.

So these ants don't have any central coordinator.

Te mrówki nie mają głównego koordynatora.

Wyczuwają się nawzajem.

They sense their neighbors.

Nie zachodzi wyraźna komunikacja,

There's no explicit communication.

ale wyczuwając siebie nawzajem

But because they sense the neighbors

i wyczuwając przedmiot

and because they sense the object,

they have implicit coordination across the group.

ma miejsce ukryta koordynacja grupy.

Chcielibyśmy, żeby nasze roboty

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

miały taką koordynację.

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

Robot otoczony innymi robotami,

Robot otoczony innymi robotami,

spójrzmy na roboty I oraz J,

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

chcemy by roboty

what we want the robots to do,

monitorowały odstęp pomiędzy sobą

is to monitor the separation between them,

as they fly in formation.

podczas lotu w formacji.

And then you want to make sure

Chcemy też mieć pewność,

that this separation is within acceptable levels.

że te odstępy mieszczą się w określonych granicach.

Roboty monitorują margines błędu

So again, the robots monitor this error

and calculate the control commands 100 times a second,

i obliczają komendy

100 razy na sekundę,

which then translates into motor commands,

które później przekazują do wirników 600 razy na sekundę.

600 times a second.

To również trzeba wykonać

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

w bardziej decentralizujący sposób.

Again, if you have lots and lots of robots,

Mając wiele robotów,

nie mogą być centralnie sterowane

it's impossible to coordinate all this information centrally

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

na tyle szybko, by mogły wykonywać zadania.

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

Dodatkowo roboty muszą opierać swe działania

na informacjach lokalnych,

na tym, co odbierają od sąsiednich robotów.

what they sense from their neighbors.

Powinny również być

And then finally,

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

"agnostycznie" nastawione

do sąsiednich robotów.

So this is what we call anonymity.

Nazywamy to "anonimowością".

Pokażę Wam teraz nagranie

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

Pokażę Wam teraz nagranie

20 małych robotów

flying in formation.

lecących w formacji.

Monitorują położenie swoich sąsiadów.

They're monitoring their neighbors' positions.

Utrzymują formację.

They're maintaining formation.

The formations can change.

Formacje mogą się zmieniać.

They can be planar formations,

Mogą być płaskie,

they can be three-dimensional formations.

lub trójwymiarowe.

Jak widać,

As you can see here,

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

przechodzą z formacji trójwymiarowej do płaskiej

i aby pokonać przeszkody,

And to fly through obstacles,

they can adapt the formations on the fly.

mogą dostosowywać formację w locie.

Roboty mogą być bardzo blisko siebie.

So again, these robots come really close together.

As you can see in this figure-eight flight,

Jak widać podczas robionej przez nie ósemki,

they come within inches of each other.

lecą od ciebie w odległości kilku centymetrów.

Pomimo oddziaływań aerodynamicznych śmigieł,

And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades,

Pomimo oddziaływań aerodynamicznych śmigieł,

they're able to maintain stable flight.

mogą utrzymać stabilny lot.

(Applause)

(Oklaski)

Umiejąc latać w formacji,

So once you know how to fly in formation,

można wspólnie podnosić przedmioty.

you can actually pick up objects cooperatively.

Siłę robota można zwiększyć nawet czterokrotnie,

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

Siłę robota można zwiększyć nawet czterokrotnie,

Siłę robota można zwiększyć nawet czterokrotnie,

the robots' strength,

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

jeżeli będą współpracować z sąsiadami.

Jedną z wad jest to,

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

że powiększając skalę,

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

czyli mając wiele robotów unoszących tę samą rzecz,

znacznie zwiększamy inercję,

you're essentially increasing the inertia,

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

tak więc płacimy określoną cenę; roboty nie są już tak zwinne.

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

Zyskujemy jednak na ładowności.

Pokażę inne zastosowanie robotów,

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

jesteśmy znów w naszym laboratorium.

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

Autorem jest nasz absolwent Quentin Lindsey.

Jego algorytm mówi robotom,

So his algorithm essentially tells these robots

jak samodzielnie zbudować

how to autonomously build cubic structures

sześcienne struktury

z elementów kratownicy.

from truss-like elements.

Algorytm mówi robotowi,

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

którą część podnieść,

kiedy i gdzie ją umieścić.

when, and where to place it.

Na filmie,

So in this video you see --

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

który przyspieszono ok. 14 razy,

widzimy 3 różne struktury budowane przez te roboty.

you see three different structures being built by these robots.

Wszystko wykonują samodzielnie,

And again, everything is autonomous,

a Quentin musi jedynie

and all Quentin has to do

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

dać im projekt

konstrukcji, jaką mają stworzyć.

So all these experiments you've seen thus far,

Wszystkie eksperymenty, które do tej pory zobaczyliśmy,

all these demonstrations,

wszystkie te prezentacje,

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

zostały wykonane przy pomocy systemów wykrywających ruch.

A co się stanie, jeśli opuścimy laboratorium

So what happens when you leave your lab,

i wyjdziemy do prawdziwego świata?

and you go outside into the real world?

And what if there's no GPS?

Co, jeśli nie mamy GPS?

So this robot is actually equipped with a camera,

Ten robot

wyposażony jest w kamerę

i skaner laserowy.

and a laser rangefinder, laser scanner.

Używa tych czujników

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

do stworzenia mapy otoczenia.

Mapa ta składa się z elementów takich,

What that map consists of are features --

jak drzwi, okna,

like doorways, windows, people, furniture --

ludzie, meble,

robot następnie określa swoje położenie

and it then figures out where its position is,

względem tych obiektów.

with respect to the features.

So there is no global coordinate system.

Nie istnieje więc globalny system sterujący.

System sterujący jest określany w oparciu o robota,

The coordinate system is defined based on the robot,

where it is and what it's looking at.

na tym gdzie jest i na co patrzy.

And it navigates with respect to those features.

Nawiguje uwzględniając te dane.

Pokażę wam film

So I want to show you a clip

of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael,

o algorytmach opracowanych przez Franka Shena

i prof. Nathana Michaela,

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

który przedstawia robota wlatującego po raz pierwszy do budynku

and creating this map on the fly.

i tworzącego w locie tę mapę.

So the robot then figures out what the features are,

Robot określa cechy budynku.

it builds the map,

Tworzy mapę.

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

Określa swoje położenie względem obiektów

and then estimates its position 100 times a second,

i oblicza swoją pozycję

100 razy na sekundę,

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

pozwalając nam zastosować algorytmy sterujące,

które omówiłem wcześniej.

So this robot is actually being commanded remotely by Frank,

Ten robot jest zdalnie sterowany przez Franka,

Ten robot jest zdalnie sterowany przez Franka,

ale może również

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

poruszać się samodzielnie.

Powiedzmy, że miałbym go wysłać do budynku,

So suppose I were to send this into a building,

a nie wiedziałbym jak ten budynek wygląda.

and I had no idea what this building looked like.

Robot może stworzyć mapę

I can ask this robot to go in,

Robot może stworzyć mapę

create a map,

i wrócić z danymi opisującymi budynek.

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

So here, the robot is not only solving the problem

Robot tu nie tylko rozwiązuje problem,

jak dostać się z punktu A do punktu B,

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.

ale za każdym razem określa

najlepsze położenie punktu B.

Wie gdzie ma się udać,

So essentially it knows where to go

to look for places that have the least information,

by odnaleźć miejsca, o których ma najmniej danych.

W ten sposób uzupełnia mapę.

and that's how it populates this map.

So I want to leave you with one last application.

Pokażę ostatnie zastosowanie tej technologii,

Pokażę ostatnie zastosowanie tej technologii,

And there are many applications of this technology.

a jest ich wiele.

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

Jestem profesorem zafascynowanym edukacją.

Takie roboty mogą naprawdę zmienić

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

obraz szkolnictwa.

Jesteśmy jednak w Południowej Kalifornii,

But we're in Southern California,

niedaleko Los Angeles,

close to Los Angeles,

więc muszę zakończyć

so I have to conclude with something focused on entertainment.

czymś związanym z rozrywką.

Zakończę teledyskiem.

I want to conclude with a music video.

Chciałbym przedstawić Alexa i Daniela,

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

którzy stworzyli to nagranie.

(Oklaski)

(Applause)

So before I play this video,

Zanim je puszczę,

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

chcę powiedzieć, że stworzyli je w ciągu ostatnich 3 dni,

after getting a call from Chris.

po telefonie od Chrisa.

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

Roboty z filmu

są całkowicie samodzielne.

You will see nine robots play six different instruments.

Zobaczycie 9 robotów grających na 6 różnych instrumentach.

Oczywiście wszystko specjalnie dla TED 2012.

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

Obejrzyjmy.

Let's watch.

(Sound of air escaping from valve)

(Music)

(Whirring sound)

(Music)

(Muzyka)

(Oklaski)

(Applause) (Cheers)