Robots that fly ... and cooperate | Vijay Kumar

Tradutor: Maxwell Black Revisora: Margarida Ferreira

Good morning.

Bom dia.

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

Estou hoje aqui para falar

de bolas de praia voadoras e autónomas.

(Laughter)

(Risos)

No, agile aerial robots like this one.

Não! De robôs aéreos ágeis como este.

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

Gostava de falar um pouco dos desafios para os construir

e de algumas das incríveis oportunidades

and some of the terrific opportunities for applying this technology.

para aplicar esta tecnologia.

So these robots are related to unmanned aerial vehicles.

Estes robôs são parentes dos veículos aéreos não tripulados.

However, the vehicles you see here are big.

Contudo, os veículos que veem aqui são grandes.

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

Pesam milhares de quilos, não são nada ágeis.

They're not even autonomous.

Nem sequer são autónomos.

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

Na verdade, muitos destes veículos

são manobrados por tripulações

that can include multiple pilots,

que podem incluir vários pilotos,

operators of sensors,

operadores de sensores

and mission coordinators.

e coordenadores de missão.

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

Nós estamos interessados em desenvolver robôs como estes.

and here are two other pictures --

Estas são duas fotografias

of robots that you can buy off the shelf.

de robôs que podemos comprar numa loja.

So these are helicopters with four rotors,

Estes são helicópteros com quatro rotores.

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

Têm cerca de um metro de tamanho

and weigh several pounds.

e pesam vários quilos.

And so we retrofit these with sensors and processors,

Colocamos-lhes sensores e processadores.

and these robots can fly indoors.

Estes robôs podem voar em locais fechados, sem GPS.

Without GPS.

The robot I'm holding in my hand

O robô que tenho na minha mão é este

is this one,

and it's been created by two students,

e foi criado por dois estudantes,

Alex and Daniel.

Alex e Daniel.

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

Pesa um pouco mais de 45 gramas.

It consumes about 15 watts of power.

Consome cerca de 15 watts de energia.

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

E, como podem ver, tem cerca de 20 cm de diâmetro.

So let me give you just a very quick tutorial

Vou dar uma breve explicação

on how these robots work.

sobre como trabalham estes robôs.

So it has four rotors.

Têm quatro rotores.

If you spin these rotors at the same speed,

Se girarmos estes rotores à mesma velocidade, o robô paira.

the robot hovers.

If you increase the speed of each of these rotors,

Se aumentarmos a velocidade de cada um destes rotores,

then the robot flies up, it accelerates up.

o robô levanta voo, sobe acelerando.

Of course, if the robot were tilted,

Claro, se o robô for inclinado

inclined to the horizontal,

no sentido horizontal,

then it would accelerate in this direction.

aceleraria nesta direção.

So to get it to tilt,

Para rodar, há uma de duas formas.

there's one of two ways of doing it.

Nesta imagem

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

podem ver que o rotor 4 roda mais rápido

and rotor two is spinning slower.

e o rotor 2 roda mais devagar.

And when that happens,

Quando isto acontece,

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

isso faz com que o robô rode.

And the other way around,

E, ao contrário,

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

se aumentarmos a velocidade do rotor 3

e diminuirmos a velocidade do rotor 1,

then the robot pitches forward.

o robô vai para a frente.

And then finally,

E, finalmente,

if you spin opposite pairs of rotors

se rodarmos um par de rotores opostos,

faster than the other pair,

mais rapidamente do que os outros dois,

then the robot yaws about the vertical axis.

o robô começa a subir na vertical.

So an on-board processor

Um processador incorporado

essentially looks at what motions need to be executed

observa os movimentos que é preciso executar,

and combines these motions,

combina estes movimentos

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

e descobre quais os comandos que deve enviar aos motores

600 times a second.

a 600 vezes por segundo.

That's basically how this thing operates.

É basicamente assim que funciona.

So one of the advantages of this design

Portanto, uma das vantagens deste modelo é que,

is when you scale things down,

quando diminuímos a escala das coisas,

the robot naturally becomes agile.

naturalmente o robô torna-se ágil.

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

Aqui o R

é o comprimento característico do robô,

It's actually half the diameter.

é metade do diâmetro.

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

Há muitos parâmetros físicos que mudam,

à medida que se reduz o R.

The one that's most important is the inertia,

O parâmetro mais importante

é a inércia ou a resistência ao movimento.

or the resistance to motion.

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

Acontece que a inércia,

que controla o movimento angular,

scales as a fifth power of R.

é proporcional à quinta potência de R.

So the smaller you make R,

Portanto, quanto menor for R,

the more dramatically the inertia reduces.

menor será a inércia.

So as a result, the angular acceleration,

Como resultado, a aceleração angular,

denoted by the Greek letter alpha here,

descrita aqui com a letra grega alfa,

goes as 1 over R.

passa a ser 1 sobre R.

It's inversely proportional to R.

É inversamente proporcional a R.

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

Quanto menor for, mais rapidamente podemos fazê-lo virar.

So this should be clear in these videos.

Isso é bastante visível nestes vídeos.

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

Em baixo, à direita, vemos um robô

a dar uma cambalhota de 360 graus

in less than half a second.

em menos de meio segundo.

Multiple flips, a little more time.

Várias cambalhotas, demora um pouco mais.

So here the processes on board

Portanto, aqui, os processadores a bordo

are getting feedback from accelerometers and gyros on board,

recebem informações dos acelerómetros

e dos giroscópios a bordo

and calculating, like I said before,

e calculam os comandos, — como eu já disse —

commands at 600 times a second,

a 600 vezes por segundo,

to stabilize this robot.

para estabilizar este robô.

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

À esquerda, o Daniel está a atirar o robô ao ar.

and it shows you how robust the control is.

Mostra quão robustos são os controlos.

No matter how you throw it,

Seja como for que o atirarmos,

the robot recovers and comes back to him.

o robô recupera e volta para ele.

So why build robots like this?

Para quê construir robôs destes?

Well, robots like this have many applications.

Bem, os robôs como este têm muitas aplicações.

You can send them inside buildings like this,

Podem ser enviados para o interior de edifícios como este

as first responders to look for intruders,

para procurar intrusos,

maybe look for biochemical leaks,

talvez para procurar fugas de bioquímicos, fugas de gases.

gaseous leaks.

You can also use them for applications like construction.

Também podemos usá-los na construção civil.

So here are robots carrying beams, columns

Estes são robôs a transportar vigas, colunas

and assembling cube-like structures.

e a montar estruturas cúbicas.

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

Vou falar-vos um pouco mais sobre isso.

The robots can be used for transporting cargo.

Os robôs podem ser usados para transportar cargas.

So one of the problems with these small robots

Um dos problemas com estes robôs pequenos

is their payload-carrying capacity.

é a sua capacidade de transportar cargas.

So you might want to have multiple robots carry payloads.

É preciso ter vários robôs para transportar cargas.

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

Esta é a fotografia duma experiência recente que fizemos

actually not so recent anymore --

— agora já não é tão recente —

in Sendai, shortly after the earthquake.

em Sendai, pouco depois do terramoto.

So robots like this could be sent into collapsed buildings,

Estes robôs podem ser enviados para os escombros

to assess the damage after natural disasters,

para avaliar danos depois de desastres naturais,

or sent into reactor buildings,

ou enviados para centrais nucleares

to map radiation levels.

para mapear níveis de radiação.

So one fundamental problem that the robots have to solve

Um problema fundamental

que os robôs têm que resolver para serem autónomos

if they are to be autonomous,

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

é, essencialmente, descobrir

como chegar do ponto A ao ponto B.

So this gets a little challenging,

Isso é um pequeno desafio

because the dynamics of this robot are quite complicated.

porque as dinâmicas dos robôs são bastante complicadas.

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

Vivem num espaço de 12 dimensões.

So we use a little trick.

Portanto usamos um pequeno truque.

We take this curved 12-dimensional space,

Tomamos este espaço curvo de 12 dimensões

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

e transformamo-lo num espaço plano de quatro dimensões.

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

Este espaço a quatro dimensões

consiste em X, Y, Z e o ângulo de inclinação.

and then the yaw angle.

And so what the robot does,

Este robô planeia o que chamamos a trajetória de tração mínima.

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

So to remind you of physics:

Para vos recordar a física,

You have position, derivative, velocity;

temos a posição, a derivada, a velocidade,

then acceleration;

depois a aceleração,

and then comes jerk,

depois o impulso

and then comes snap.

e a seguir a tração.

So this robot minimizes snap.

Este robô minimiza a tração.

So what that effectively does,

O que faz efetivamente

is produce a smooth and graceful motion.

é produzir um movimento gracioso e suave.

And it does that avoiding obstacles.

Faz isso evitando os obstáculos.

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

Estas trajetórias de tração mínima, neste espaço plano,

back into this complicated 12-dimensional space,

são depois transformadas

neste espaço complicado a 12 dimensões

which the robot must do for control and then execution.

que o robô tem que fazer para controlo e execução.

So let me show you some examples

Vou mostrar-vos alguns exemplos

of what these minimum-snap trajectories look like.

do aspeto dessas trajetórias de tração mínima.

And in the first video,

No primeiro vídeo

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

podemos ver o robô a ir do ponto A ao ponto B

através de um ponto intermédio.

through an intermediate point.

(Whirring noise)

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

O robô obviamente é capaz de executar qualquer trajetória curva.

So these are circular trajectories,

Estas são trajetórias circulares em que o robô atinge cerca de 2 G.

where the robot pulls about two G's.

Here you have overhead motion capture cameras on the top

Em cima, temos câmaras de deteção de movimento

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

que dizem ao robô onde ele está umas 100 vezes por segundo.

It also tells the robot where these obstacles are.

Também dizem ao robô onde estão estes obstáculos.

And the obstacles can be moving.

Os obstáculos pode mover-se.

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

Veem aqui o Daniel a atirar o arco ao ar

while the robot is calculating the position of the hoop,

enquanto o robô calcula a posição do arco

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

e tenta descobrir a melhor maneira de atravessar o arco.

Enquanto universitários,

So as an academic,

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

somos sempre treinados para atravessar arcos,

to raise funding for our labs,

para arranjar fundos para os laboratórios

and we get our robots to do that.

e pomos os nossos robôs a fazê-lo.

(Applause)

(Aplausos)

So another thing the robot can do

Outra coisa que o robô consegue fazer

is it remembers pieces of trajectory

é lembrar-se de partes duma trajetória

that it learns or is pre-programmed.

que aprende ou para que foi pré-programado.

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

Vemos aqui o robô a combinar um movimento

que ganha velocidade,

and then changes its orientation and then recovers.

depois muda de orientação e depois recupera.

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

Tem que fazer isto, porque esta abertura na janela

is only slightly larger than the width of the robot.

é pouco maior que a largura do robô.

So just like a diver stands on a springboard

Assim como um nadador num trampolim

and then jumps off it to gain momentum,

salta dela para ganhar impulso,

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

depois faz uma pirueta, dois mortais e meio

e depois recupera graciosamente,

and then gracefully recovers,

this robot is basically doing that.

este robô faz basicamente o mesmo.

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

Sabe como combinar bocadinhos de trajetórias

to do these fairly difficult tasks.

para fazer estas tarefas mais difíceis.

So I want change gears.

Mudando de assunto.

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

Uma das desvantagens destes pequenos robôs é o seu tamanho.

And I told you earlier

E disse-vos há bocado

that we may want to employ lots and lots of robots

que talvez queiramos empregar muitos robôs

to overcome the limitations of size.

para superar as limitações de tamanho.

So one difficulty is:

Uma dificuldade

How do you coordinate lots of these robots?

é como se coordenam muitos robôs destes?

And so here, we looked to nature.

Portanto olhámos para a natureza.

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

Assim quero mostrar-vos um vídeo

das formigas Aphaenogaster do deserto

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

no laboratório do Professor Stephen Pratt a transportar um objeto.

So this is actually a piece of fig.

Isto é um bocado de um figo.

Actually you take any object coated with fig juice,

Pega-se em qualquer objeto coberto com sumo de figo

and the ants will carry it back to the nest.

e as formigas carregam-no para o ninho.

So these ants don't have any central coordinator.

Estas formigas não têm um coordenador central.

They sense their neighbors.

Elas detetam as vizinhas.

There's no explicit communication.

Não existe comunicação explicita.

But because they sense the neighbors

Mas, como detetam as vizinhas

and because they sense the object,

e como detetam o objeto,

they have implicit coordination across the group.

têm uma coordenação implícita em todo o grupo.

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

Este é o tipo de coordenação

que queremos que os nossos robôs tenham.

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

Assim, quando temos um robô

que está rodeado de vizinhos,

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

— olhem para o robô I e para o robô J —

what we want the robots to do,

queremos que os robôs monitorizem o intervalo entre eles

is to monitor the separation between them,

as they fly in formation.

enquanto voam em formação.

And then you want to make sure

Depois queremos garantir

that this separation is within acceptable levels.

que esse intervalo está dentro de níveis aceitáveis.

So again, the robots monitor this error

Aqui, outra vez, os robôs monitorizam o erro

and calculate the control commands 100 times a second,

e calculam os comandos de controlo

a 100 vezes por segundo,

which then translates into motor commands,

que depois traduzem comandos para o motor, 600 vezes por segundo.

600 times a second.

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

Isto também tem que ser feito duma maneira descentralizada.

Again, if you have lots and lots of robots,

De novo, se tiverem muitos robôs,

it's impossible to coordinate all this information centrally

é impossível coordenar centralmente toda a informação,

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

de modo suficientemente rápido para que os robôs cumpram a tarefa.

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

Mais, os robôs têm que basear as suas ações

apenas em informações locais,

what they sense from their neighbors.

a noção que têm dos vizinhos.

And then finally,

E, finalmente,

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

insistimos em que os robôs não conheçam

a identidade dos seus vizinhos.

So this is what we call anonymity.

Isto é o que chamamos de anonimato.

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

A seguir quero mostrar

um vídeo de 20 destes pequenos robôs

flying in formation.

a voar em formação.

They're monitoring their neighbors' positions.

Estão a monitorizar a posição dos vizinhos.

They're maintaining formation.

Estão a manter a formação.

The formations can change.

A formação pode mudar.

They can be planar formations,

Podem ser formações planas,

they can be three-dimensional formations.

podem ser formações tridimensionais.

As you can see here,

Como podem ver aqui,

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

eles desmancham a formação tridimensional

e passam para uma formação plana.

And to fly through obstacles,

Para voarem através de obstáculos

they can adapt the formations on the fly.

podem adaptar as formações de improviso.

So again, these robots come really close together.

Assim, estes robôs aproximam-se muito uns dos outros.

As you can see in this figure-eight flight,

Como veem neste voo em forma de oito,

they come within inches of each other.

aproximam-se a centímetros uns dos outros.

And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades,

E, apesar das interações aerodinâmicas

destas pás de propulsão,

they're able to maintain stable flight.

são capazes de manter um voo estável.

(Applause)

(Aplausos)

So once you know how to fly in formation,

Depois de saberem voar em formação,

you can actually pick up objects cooperatively.

podem apanhar objetos em cooperação.

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

Isto mostra apenas

que podemos duplicar, triplicar,

quadruplicar a força do robô.

the robots' strength,

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

pondo-os trabalhar em equipa com os outros, como aqui veem.

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

Uma das desvantagens de fazer isto

é que, ao aumentar o seu número,

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

— se houver muitos robôs a carregar a mesma coisa —

you're essentially increasing the inertia,

está-se a aumentar a inércia

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

e, como tal, paga-se um preço: não são tão ágeis.

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

Mas ganha-se em termos de capacidade de carga.

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

Quero mostrar-vos outra aplicação.

Isto é no nosso laboratório.

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

É um trabalho do Quentin Lindsey que é um aluno licenciado.

So his algorithm essentially tells these robots

O seu algoritmo diz a estes robôs

how to autonomously build cubic structures

como construir, autonomamente, estruturas cúbicas

from truss-like elements.

a partir de elementos de treliça.

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

O algoritmo dele diz ao robô

qual a parte a apanhar,

when, and where to place it.

quando e onde a colocar.

So in this video you see --

Neste vídeo vemos,

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

— está acelerado 10 ou 14 vezes —

you see three different structures being built by these robots.

vemos estes robôs a construir três estruturas diferentes.

And again, everything is autonomous,

Mais uma vez, tudo é autónomo.

and all Quentin has to do

Quentin só tem que lhes arranjar

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

uma planta da estrutura que quer construir.

So all these experiments you've seen thus far,

Todas estas experiências que viram até agora,

all these demonstrations,

todas estas demonstrações,

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

foram feitas com a ajuda de sistemas de deteção de movimento.

So what happens when you leave your lab,

O que acontece quando se sai do laboratório

and you go outside into the real world?

e se passa para o mundo real?

And what if there's no GPS?

E se não houver GPS?

So this robot is actually equipped with a camera,

Este robô está equipado com uma câmara

and a laser rangefinder, laser scanner.

e um varredor "laser", um "scanner" a " laser".

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

Utiliza estes sensores

para construir um mapa do ambiente.

What that map consists of are features --

Esse mapa consiste em características

like doorways, windows, people, furniture --

— como portais, janelas, pessoas, mobília —

and it then figures out where its position is,

e depois descobre qual a sua posição

with respect to the features.

em relação a estas características.

So there is no global coordinate system.

Não existe um sistema global de coordenadas.

The coordinate system is defined based on the robot,

O sistema de coordenadas é definido com base no robô,

where it is and what it's looking at.

onde é que ele está e para onde está a olhar.

And it navigates with respect to those features.

Navega em relação a essas características.

So I want to show you a clip

Quero mostrar-vos um vídeo

of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael,

dos algoritmos desenvolvidos

pelo Frank Shen e pelo Professor Nathan Michael

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

que mostra este robô a entrar num edifício pela primeira vez

and creating this map on the fly.

e a criar este mapa de improviso.

So the robot then figures out what the features are,

Depois o robô descobre quais são as características.

it builds the map,

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

Constrói o mapa.

Descobre onde está em relação às características

and then estimates its position 100 times a second,

e depois calcula a sua posição,

a 100 vezes por segundo,

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

permitindo-nos usar o algoritmo de controlo

que vos descrevi antes.

So this robot is actually being commanded remotely by Frank,

Este robô está a ser comandado

remotamente pelo Frank.

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

Mas o robô também pode descobrir

onde ir por si próprio.

So suppose I were to send this into a building,

Suponhamos que eu o enviava para um edifício

and I had no idea what this building looked like.

e não fazia ideia de como era o edifício.

I can ask this robot to go in,

Posso pedir a este robô para entrar, criar um mapa

create a map,

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

e depois voltar e dizer-me como é o edifício.

So here, the robot is not only solving the problem

O robô não só está a resolver o problema

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

de como ir do ponto A para o ponto B neste mapa,

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

mas está sempre a descobrir

qual é o melhor ponto B.

So essentially it knows where to go

Essencialmente sabe onde ir

to look for places that have the least information,

à procura de sítios onde há menos informação.

and that's how it populates this map.

É assim que preenche este mapa.

So I want to leave you with one last application.

Quero deixar-vos

com uma última aplicação.

And there are many applications of this technology.

Existem muitas aplicações desta tecnologia.

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

Sou professor, e somos apaixonados pelo ensino.

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

Robôs destes podem mudar a forma como ensinamos,

do jardim de infância ao secundário.

But we're in Southern California,

Mas estamos no sul da Califórnia,

close to Los Angeles,

perto de Los Angeles,

so I have to conclude with something focused on entertainment.

portanto tenho que concluir

com algo virado para o entretenimento.

I want to conclude with a music video.

Quero concluir com um vídeo de música.

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

Apresento os seus criadores, o Alex e o Daniel,

que criaram o vídeo.

(Applause)

(Aplausos)

So before I play this video,

Antes de reproduzir o vídeo,

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

quero dizer-vos que eles o criaram nos últimos três dias

after getting a call from Chris.

depois de receberem uma chamada do Chris.

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

Os robôs que aparecem no vídeo

são completamente autónomos.

You will see nine robots play six different instruments.

Vão ver nove robôs a tocar seis instrumentos diferentes.

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

E, claro, feito exclusivamente para a TED 2012.

Let's watch.

Vamos ver.

(Sound of air escaping from valve)

(Music)

(Whirring sound)

(Music)

(Sons sincopados)

(Applause) (Cheers)

(Aplausos)