Robots that fly ... and cooperate | Vijay Kumar

Tradutor: Isabel Villan Revisor: Viviane Ferraz Matos

Good morning.

Bom dia.

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

Estou aqui hoje para falar

sobre bolas de praia autônomas e voadoras.

(Laughter)

Não, robôs aéreos ágeis como este.

No, agile aerial robots like this one.

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

Gostaria de falar um pouco sobre os desafios na construção deles

e algumas oportunidades maravilhosas

and some of the terrific opportunities for applying this technology.

para aplicação dessa tecnologia.

So these robots are related to unmanned aerial vehicles.

Bem, esses robôs

estão relacionados a veículos aéreos não tripulados.

Entretanto, os veículos que você vê aqui são grandes.

However, the vehicles you see here are big.

Pesam milhares de quilos,

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

de forma nenhuma são ágeis.

They're not even autonomous.

Não são nem mesmo autônomos.

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

Na verdade, muitos desses veículos

são operados por tripulações

que podem incluir múltiplos pilotos,

that can include multiple pilots,

operators of sensors,

operadores de sensores

and mission coordinators.

e coordenadores de missão.

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

Aquilo em que estamos interessados é desenvolver robôs como este --

e aqui estão mais duas imagens --

and here are two other pictures --

de robôs que você pode comprar nas prateleiras.

of robots that you can buy off the shelf.

Assim, esses são helicópteros com quatro rotores

So these are helicopters with four rotors,

e têm mais ou menos um metro

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

e pesam vários quilos.

and weigh several pounds.

Então, nós os reajustamos com sensores e processadores,

And so we retrofit these with sensors and processors,

e esses robôs podem voar dentro de edificações

and these robots can fly indoors.

sem GPS.

Without GPS.

O robô que tenho em minha mão

The robot I'm holding in my hand

é esse,

is this one,

e foi criado por dois estudantes,

and it's been created by two students,

Alex e Daniel.

Alex and Daniel.

Então, este pesa um pouco mais

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

que um décimo de uma libra.

It consumes about 15 watts of power.

Consome mais ou menos 15 watts de energia.

E, como podem ver,

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

tem aproximadamente oito polegadas de diâmetro.

Então, deixem-me expor um rápido tutorial

So let me give you just a very quick tutorial

on how these robots work.

de como esses robôs funcionam.

Este tem quatro rotores.

So it has four rotors.

If you spin these rotors at the same speed,

Se você gira esses rotores na mesma velocidade,

the robot hovers.

o robô paira.

If you increase the speed of each of these rotors,

Se você aumenta a velocidade de cada um desses rotores,

então o robô voa, acelera.

then the robot flies up, it accelerates up.

Of course, if the robot were tilted,

Claro, se o robô estivesse inclinado,

inclinado na horizontal,

inclined to the horizontal,

then it would accelerate in this direction.

então ele aceleraria nessa direção.

So to get it to tilt,

Assim, para incliná-lo, há duas maneiras de fazer isso.

there's one of two ways of doing it.

Nesta figura,

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

você vê que o rotor quatro está girando mais rápido

and rotor two is spinning slower.

e o rotor dois está girando mais lentamente.

And when that happens,

E quando isso acontece,

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

há movimento que faz com que o robô rodopie.

E, por outro lado,

And the other way around,

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

se você aumenta a velocidade do rotor três

e diminui a velocidade do rotor um.

então o robõ arremete para frente.

then the robot pitches forward.

And then finally,

E, finalmente,

if you spin opposite pairs of rotors

se você gira pares opostos de rotores

faster than the other pair,

mais rápido que o outro par,

then the robot yaws about the vertical axis.

então o robô dá uma guinada sobre o eixo vertical.

Assim, um processador a bordo

So an on-board processor

essentially looks at what motions need to be executed

essencialmente observa quais movimentos precisam ser executados

e combina esses movimentos

and combines these motions,

e determina quais comandos enviar aos motores,

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

600 vezes por segundo.

600 times a second.

That's basically how this thing operates.

Isso é basicamente como essa coisa opera.

Dessa forma uma das vantagens deste desenho

So one of the advantages of this design

é, quando você diminui o tamanho das coisas,

is when you scale things down,

o robô naturalmente se torna ágil.

the robot naturally becomes agile.

Então, R aqui

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

é o comprimento característico do robô.

É realmente metade do diâmetro.

It's actually half the diameter.

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

E há muitos parâmetros físicos que se alteram

à medida que você reduz R.

The one that's most important is the inertia,

Aquele que é o mais importante

é a inércia ou a resistência ao movimento.

or the resistance to motion.

Acontece que

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

a inércia, que governa o movimento angular,

funciona como a quinta força de R.

scales as a fifth power of R.

Portanto, quanto menor for R,

So the smaller you make R,

the more dramatically the inertia reduces.

mais acentuadamente se reduz a inércia.

So as a result, the angular acceleration,

Assim, como resultado, a aceleração angular,

denoted by the Greek letter alpha here,

representada aqui pela letra grega alfa,

goes as 1 over R.

fica um 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 ela for, mais rapidamente você pode virar.

Assim, isso deveria estar claro nesses vídeos.

So this should be clear in these videos.

Na base direita você vê um robô

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

realizando um voo de 360 graus

in less than half a second.

em menos da metade de um segundo.

Multiple flips, a little more time.

Múltiplos voos, um pouco mais de tempo.

Então, aqui os processadores a bordo

So here the processes on board

estão recebendo dados dos acelerômetros

are getting feedback from accelerometers and gyros on board,

e giroscópios a bordo

and calculating, like I said before,

e calculando, como eu disse anteriormente,

commands at 600 times a second,

comandos 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,

Então, à esquerda, você vê Daniel lançando este robô no ar.

and it shows you how robust the control is.

E ele demonstra quão resistente é o controle.

Não importa como você o lança,

No matter how you throw it,

the robot recovers and comes back to him.

o robô se recupera e volta para ele.

So why build robots like this?

Por que construir robôs como este?

Bem, robôs como este têm muitas aplicações.

Well, robots like this have many applications.

Você pode enviá-los para o interior de edifícios como este

You can send them inside buildings like this,

as first responders to look for intruders,

como primeiros atendentes para procurar por intrusos,

talvez procurar por vazamentos químicos,

maybe look for biochemical leaks,

vazamentos de gás.

gaseous leaks.

Você também pode usá-los

You can also use them for applications like construction.

para aplicações como construção.

So here are robots carrying beams, columns

Assim, aqui estão robôs carregando feixes, colunas

e montando estruturas semelhantes a cubos.

and assembling cube-like structures.

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

Vou contar-lhes um pouco mais sobre isso.

The robots can be used for transporting cargo.

Os robôs podem ser usados para transportar carga.

So one of the problems with these small robots

Um dos problemas com estes pequenos robôs

is their payload-carrying capacity.

é a capacidade deles de transportar carga útil.

So you might want to have multiple robots carry payloads.

Assim você pode querer múltíplos robôs

transportando carga útil.

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

Esta é uma fotografia de um experimento recente que fizemos --

na verdade não mais tão recente --

actually not so recent anymore --

in Sendai, shortly after the earthquake.

em Sendai, logo depois do terremoto.

So robots like this could be sent into collapsed buildings,

Dessa forma, robôs como este poderiam ser enviados para edifícios desmoronados

para avaliar os danos depois de desastres naturais,

to assess the damage after natural disasters,

ou ser enviados para edifícios com radiação

or sent into reactor buildings,

to map radiation levels.

para mapear os níveis de radiação.

So one fundamental problem that the robots have to solve

Então um problema fundamental

que os robôs têm que resolver, se são autônomos,

if they are to be autonomous,

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

é essencialmente determinar

como ir do ponto A ao ponto B.

So this gets a little challenging,

Isso se torna desafiador

because the dynamics of this robot are quite complicated.

porque a dinâmica desse robô é bastante complicada.

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

De fato, eles vivem em um espaço de 12 dimensões.

Portanto usamos um pequeno truque.

So we use a little trick.

We take this curved 12-dimensional space,

Pegamos esse espaço curvo de 12 dimensões

e o transformamos

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

em um espaço plano de 4 dimensões.

E esse espaço de quatro dimensões

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

consiste em X, Y, Z e o ângulo da guinada.

and then the yaw angle.

And so what the robot does,

E o que esse robô faz

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

é planejar o que chamamos de trajetória com salto mínimo.

Assim, para lembrar-lhes a física,

So to remind you of physics:

You have position, derivative, velocity;

você tem posição, derivativo, velocidade,

then acceleration;

aceleração

and then comes jerk,

então vem empuxo

and then comes snap.

e depois vem salto.

So this robot minimizes snap.

Assim este robô minimiza o salto.

So what that effectively does,

O que ele efetivamente faz

is produce a smooth and graceful motion.

é produzir um movimento suave e gracioso.

And it does that avoiding obstacles.

E ele faz isso evitando obstáculos.

Então essas trajetórias com salto mínimo nesse espaço plano

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

são transformadas

back into this complicated 12-dimensional space,

nesse complicado espaço de 12 dimensões,

que o robô deve ter

which the robot must do for control and then execution.

para controle e execução.

So let me show you some examples

Deixem-me mostrar-lhes alguns exemplos

of what these minimum-snap trajectories look like.

de como são essas trajetórias com salto mínimo.

E no primeiro vídeo,

And in the first video,

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

vocês verão o robô indo do ponto A ao ponto B

através de um ponto intermediário.

through an intermediate point.

(Whirring noise)

Dessa forma o robô é obviamente capaz

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

de executar qualquer trajetória curva.

Estas são trajetórias circulares

So these are circular trajectories,

where the robot pulls about two G's.

nas quais o robô puxa cerca de 2 G.

Here you have overhead motion capture cameras on the top

Aqui no topo você tem câmeras que captam movimentos

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

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

It also tells the robot where these obstacles are.

Também dizem ao robô onde esses obstáculos estão.

E os obstáculos podem estar se movendo.

And the obstacles can be moving.

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

E aqui você vê Daniel atirar este aro no ar,

while the robot is calculating the position of the hoop,

enquanto o robô está calculando a posição do aro

e tentando determinar a melhor forma de passar pelo aro.

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

Então, como acadêmicos,

So as an academic,

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

somos sempre treinados a ser capazes de saltar por aros para levantar fundos para nossos laboratórios,

to raise funding for our labs,

e conseguimos que nossos robôs fizessem isso.

and we get our robots to do that.

(Applause)

(Aplausos)

Uma outra coisa que o robô pode fazer

So another thing the robot can do

é lembrar partes da trajetória

is it remembers pieces of trajectory

that it learns or is pre-programmed.

que ele aprende ou é pré-programada.

Assim, aqui você vê o robô

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

combinando um movimento

que constrói impulso

and then changes its orientation and then recovers.

e muda sua direção e então se recupera.

Ele tem que fazer isso porque a abertura na janela

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

is only slightly larger than the width of the robot.

é apenas ligeiramente maior que a largura do robô.

Exatamente como um mergulhador se posiciona no trampolim

So just like a diver stands on a springboard

and then jumps off it to gain momentum,

e então salta dele para ganhar impulso,

faz esta pirueta, estes dois saltos mortais

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

e elegantemente se recupera,

and then gracefully recovers,

this robot is basically doing that.

este robô está basicamente fazendo isso.

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

Ele sabe como combinar pequenos pedaços e partes das trajetórias

to do these fairly difficult tasks.

para executar essas tarefas relativamente difíceis.

Quero mudar o foco do assunto.

So I want change gears.

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

Uma das desvantagens desses pequenos robôs é o seu tamanho.

E eu lhes disse anteriormente

And I told you earlier

that we may want to employ lots and lots of robots

que podemos querer empregar muitos e muitos desses robôs

para superar as limitações de tamanho.

to overcome the limitations of size.

Portanto, uma dificuldade

So one difficulty is:

How do you coordinate lots of these robots?

é: como você coordena muitos desses robôs?

And so here, we looked to nature.

Então, nesse ponto olhamos para a natureza.

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

Dessa forma, quero mostrar-lhes um clipe

de formigas Aphaenogaster do deserto,

no laboratório do professor Stephen Pratt, carregando um objeto.

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

Isto é, na verdade, um pedaço de figo.

So this is actually a piece of fig.

De fato, você pega qualquer objeto recoberto com suco de figo

Actually you take any object coated with fig juice,

e as formigas o carregarão de volta ao ninho.

and the ants will carry it back to the nest.

So these ants don't have any central coordinator.

Estas formigas não têm nenhum coordenador central.

Elas sentem seus vizinhos.

They sense their neighbors.

Não há comunicação explícita.

There's no explicit communication.

Mas, porque elas percebem os vizinhos

But because they sense the neighbors

e porque percebem o objeto,

and because they sense the object,

they have implicit coordination across the group.

elas têm coordenação implícita através do grupo.

Este é o tipo de coordenação

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

que queremos que nossos robôs tenham.

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

Então, quando temos um robô

que está rodeado por vizinhos --

vamos olhar para o robô I e o robô J --

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

o que queremos que os robôs façam

what we want the robots to do,

é monitorar o espaço 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

Portanto você quer ter certeza

that this separation is within acceptable levels.

de que esse espaço está dentro de níveis aceitáveis.

Novamente os robôs monitoram esse erro

So again, the robots monitor this error

and calculate the control commands 100 times a second,

e calculam os comandos de controle

100 vezes por segundo,

which then translates into motor commands,

que, então, traduz para o motor comandos 600 vezes por segundo.

600 times a second.

Isso também tem que ser feito

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

de uma forma descentralizada.

Again, if you have lots and lots of robots,

Novamente, se você tem muitos e muitos robôs,

é impossível coordenar toda essa informação centralmente

it's impossible to coordinate all this information centrally

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

rápido o bastante para que os robôs realizem a tarefa.

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

Acrescente-se que os robôs têm que basear suas ações

apenas em informações locais,

o que eles percebem de seus vizinhos.

what they sense from their neighbors.

E então finalmente,

And then finally,

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

insistimos para que os robôs sejam agnósticos

para quem são seus vizinhos.

So this is what we call anonymity.

Isto é o que chamamos anonimato.

O que quero lhes mostrar a seguir

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

é um vídeo

de 20 desses pequenos robôs

flying in formation.

voando em formação.

Eles estão monitorando a posição de seus vizinhos.

They're monitoring their neighbors' positions.

Estão mantendo a formação.

They're maintaining formation.

The formations can change.

As formações podem mudar.

They can be planar formations,

Elas podem ser formações planas,

they can be three-dimensional formations.

podem ser formações tridimensionais.

Como podem ver aqui,

As you can see here,

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

eles desabam de uma formação tridimensional para uma formação plana.

E para voar através de obstáculos,

And to fly through obstacles,

they can adapt the formations on the fly.

eles podem adaptar as formações durante o voo.

Esses robôs vêm realmente muito perto.

So again, these robots come really close together.

As you can see in this figure-eight flight,

Como podem ver neste voo em forma de oito,

they come within inches of each other.

eles vêm a polegadas um do outro

E apesar das interações aerodinâmicas

And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades,

dessas lâminas de propulsão,

they're able to maintain stable flight.

eles são capazes de manter voo estável.

(Applause)

(Aplausos)

Assim, quando você sabe como voar em formação,

So once you know how to fly in formation,

você pode realmente apanhar objetos em cooperação.

you can actually pick up objects cooperatively.

Dessa forma, isso mostra

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

que podemos dobrar, triplicar, quadruplicar

a força do robô,

the robots' strength,

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

fazendo com que eles se agrupem com seus vizinhos, como podem ver aqui.

Uma das desvantagens de fazer isso

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

é, à medida que você aumenta a escala das coisas --

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

portanto, se você tem muitos robôs carregando a mesma coisa,

você basica e efetivamente aumentou a inércia,

you're essentially increasing the inertia,

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

e, por consequência, paga um preço, eles não são tão ágeis.

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

Mas você de fato ganha em termos de capacidade de transportar carga útil.

Um outro aplicativo que quero mostrar-lhes --

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

novamente, isto está em nosso laboratório.

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

Este é o trabalho feito por Quentin Lindsey, que é um estudante formado.

Seu algoritmo basicamente diz a esses robôs

So his algorithm essentially tells these robots

como construir, com autonomia,

how to autonomously build cubic structures

estruturas cúbicas

de elementos de armação.

from truss-like elements.

Seu algoritmo diz ao robô

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

qual parte pegar,

quando e onde colocá-la.

when, and where to place it.

Assim, neste vídeo você vê --

So in this video you see --

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

e ele está acelerado 10, 14 vezes --

você vê três estruturas diferentes sendo construídas por estes robôs.

you see three different structures being built by these robots.

E novamente, tudo é autônomo,

And again, everything is autonomous,

e tudo que Quentin tem a fazer

and all Quentin has to do

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

é dar-lhes uma planta

do desenho que quer construir.

So all these experiments you've seen thus far,

Bem, todos esses experimentos que vocês viram até agora,

all these demonstrations,

todas essas demonstrações,

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

foram feitas com o auxílio de sistemas de captura de movimentos.

Então, o que acontece quando você sai do laboratório

So what happens when you leave your lab,

e vai para o mundo real?

and you go outside into the real world?

And what if there's no GPS?

E se não há GPS?

So this robot is actually equipped with a camera,

Este robô

é de fato equipado com uma câmera

e um laser localizador, um laser escaneador.

and a laser rangefinder, laser scanner.

E ele usa esses sensores

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

para construir um mapa do ambiente.

Esse mapa consiste nas características --

What that map consists of are features --

como portas, janelas,

like doorways, windows, people, furniture --

pessoas, mobília --

e então ele determina qual é sua posição

and it then figures out where its position is,

em relação às características.

with respect to the features.

So there is no global coordinate system.

Assim não há sistema de coordenação global.

O sistema de coordenação é definido com base no robô,

The coordinate system is defined based on the robot,

where it is and what it's looking at.

onde ele está e para o que está olhando.

And it navigates with respect to those features.

E ele navega com relação a estas características.

Quero exibir um clipe

So I want to show you a clip

of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael,

de algoritmos desenvolvido por Frank Shen

e pelo professor Nathan Michael

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

que mostra este robô entrando em um edificio pela primeira vez

and creating this map on the fly.

e criando um mapa durante o voo.

So the robot then figures out what the features are,

Dessa forma o robô determina quais são as características.

it builds the map,

Constrói o mapa.

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

Determina onde está com relação às características

and then estimates its position 100 times a second,

e então calcula sua posição

100 vezez por segundo,

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

permitindo-nos usar os algoritmos de controle

que descrevi anteriormente.

So this robot is actually being commanded remotely by Frank,

Na verdade, este robô está sendo comandado

remotamente por Frank.

Mas o robô também pode determinar

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

onde ir por ele mesmo.

Suponha que eu fosse enviar isto a um edifício

So suppose I were to send this into a building,

e não tivesse ideia de como é esse edifício,

and I had no idea what this building looked like.

posso pedir ao robô para entrar,

I can ask this robot to go in,

criar um mapa,

create a map,

então voltar e me dizer como é o edifício.

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

So here, the robot is not only solving the problem

Aqui, o robô não está apenas resolvendo um problema,

como ir do ponto A para o ponto B neste 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.

mas também determinando

qual é o melhor ponto B a cada vez.

Basicamente ele sabe aonde ir

So essentially it knows where to go

to look for places that have the least information,

para procurar locais que tenham menos informação.

E é assim que ele preenche este mapa.

and that's how it populates this map.

So I want to leave you with one last application.

Quero deixá-los

com um último aplicativo.

And there are many applications of this technology.

E há muitos aplicativos para esta tecnologia.

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

Sou um professor, e somos apaixonados por educação.

Robôs como este podem realmente mudar a forma

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

como realizamos a educação elementar.

Mas estamos no sul da Califórnia,

But we're in Southern California,

perto de Los Angeles,

close to Los Angeles,

portanto tenho que concluir

so I have to conclude with something focused on entertainment.

com algo relacionado a entretenimento.

Quero concluir com um vídeo de música.

I want to conclude with a music video.

Quero apresentar os criadores, Alex e Daniel,

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

que criaram este vídeo.

(Aplausos)

(Applause)

So before I play this video,

Antes que eu apresente este vídeo,

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

quero dizer que eles o criaram nos últimos três dias,

after getting a call from Chris.

depois de um telefonema de Chris.

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

E os robôs que tocam neste vídeo

são completamente autônomos.

You will see nine robots play six different instruments.

Vocês verão nove robôs tocarem seis instrumentos diferentes.

E, claro, foi feito exclusivamente para TED 2012.

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

Vamos assistir.

Let's watch.

(Sound of air escaping from valve)

(Music)

(Whirring sound)

(Music)

(Música)

(Aplausos)

(Applause) (Cheers)