Robots that fly ... and cooperate | Vijay Kumar

Виджай Кумар: Роботы, которые летают и работают… вместе

Переводчик: Olga Dmitrochenkova Редактор: Aliaksandr Autayeu

Good morning.

Доброе утро.

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

Сегодня я расскажу вам

о самоуправляемых летающих пляжных мячах.

(Laughter)

Шутка. Я расскажу о вот таких быстрых авиароботах.

No, agile aerial robots like this one.

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

Вы узнаете о проблемах их создания

и о некоторых потрясающих возможностях

and some of the terrific opportunities for applying this technology.

применения этой технологии.

So these robots are related to unmanned aerial vehicles.

Эти роботы —

беспилотные летательные аппараты.

Однако вот эти транспортные средства довольно большие,

However, the vehicles you see here are big.

весят тысячи килограммов

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

и медленны.

They're not even autonomous.

Они даже не самоуправляемые.

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

Многие из них

управляются командами

из нескольких пилотов,

that can include multiple pilots,

operators of sensors,

операторов аппаратуры

and mission coordinators.

и координаторов полёта.

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

Мы заинтересованы в разработке роботов,

которые вы сможете купить в магазине —

and here are two other pictures --

вот ещё несколько изображений.

of robots that you can buy off the shelf.

Это вертолёты с четырьмя несущими винтами.

So these are helicopters with four rotors,

Их длина составляет около метра,

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

а вес — несколько килограммов.

and weigh several pounds.

Мы устанавливаем датчики и процессоры,

And so we retrofit these with sensors and processors,

и роботы обретают возможность летать

and these robots can fly indoors.

в помещении без GPS.

Without GPS.

В моих руках робот,

The robot I'm holding in my hand

созданный

is this one,

двумя студентами —

and it's been created by two students,

Алексом и Даниэлем.

Alex and Daniel.

Он весит чуть более

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

нескольких десятков граммов

It consumes about 15 watts of power.

и потребляет около 15 Вт энергии.

Как вы можете видеть,

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

он около 20 см в диаметре.

Позвольте вкратце рассказать вам,

So let me give you just a very quick tutorial

on how these robots work.

как работают эти роботы.

У робота есть 4 несущих винта.

So it has four rotors.

If you spin these rotors at the same speed,

Если они вращаются на одной скорости,

the robot hovers.

робот парит в воздухе.

If you increase the speed of each of these rotors,

Если вы увеличиваете скорость каждого винта,

робот ускоряется и летит вверх.

then the robot flies up, it accelerates up.

Of course, if the robot were tilted,

Естественно, если робот был наклонён

по отношению к горизонту,

inclined to the horizontal,

then it would accelerate in this direction.

ускорение будет происходить в этом направлении.

So to get it to tilt,

Есть 2 способа его наклонить.

there's one of two ways of doing it.

На этом изображении видно,

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

что винт №4 вращается быстрее,

and rotor two is spinning slower.

а винт №2 вращается медленнее.

And when that happens,

Именно это создаёт момент,

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

при котором робот наклоняется.

Второй способ таков:

And the other way around,

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

увеличиваем скорость вращения винта №3

и уменьшаем скорость вращения винта №1,

и робот наклоняется вперёд.

then the robot pitches forward.

And then finally,

Наконец, если вы вращаете

if you spin opposite pairs of rotors

одну противоположную пару винтов

faster than the other pair,

с большей скоростью, чем другую,

then the robot yaws about the vertical axis.

робот вращается по вертикальной оси.

Встроенный в робот процессор определяет,

So an on-board processor

essentially looks at what motions need to be executed

какие движения надо выполнить,

сопоставляет эти движения и решает,

and combines these motions,

какие команды отправить на винты,

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

посылая 600 команд в секунду.

600 times a second.

That's basically how this thing operates.

Вот как это работает.

Одно из преимуществ этой модели —

So one of the advantages of this design

её естественная быстрота

is when you scale things down,

при уменьшении размеров.

the robot naturally becomes agile.

R на этом изображении —

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

характерная длина робота.

Это половина его диаметра.

It's actually half the diameter.

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

Множество физических параметров изменяются

при уменьшении R.

The one that's most important is the inertia,

Самый главный из них —

это инерция или сопротивление движению.

or the resistance to motion.

Оказывается, что инерция,

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

регулирующая угловое движение,

пропорциональна R в пятой степени.

scales as a fifth power of R.

Уменьшая R,

So the smaller you make R,

the more dramatically the inertia reduces.

мы значительно уменьшаем и инерцию.

So as a result, the angular acceleration,

Угловое ускорение,

denoted by the Greek letter alpha here,

обозначенное греческой буквой альфа,

goes as 1 over R.

рассчитывается по формуле 1/R.

It's inversely proportional to R.

Оно обратно пропорционально R.

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

Чем оно меньше, тем быстрее вы можете вращаться.

Вот видео, демонстрирующее этот процесс.

So this should be clear in these videos.

Внизу справа вы видите робота,

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

выполняющего переворот на 360°

in less than half a second.

менее чем за полсекунды.

Multiple flips, a little more time.

Несколько переворотов — чуть больше времени.

Встроенные процессоры получают

So here the processes on board

информацию от датчиков ускорения

are getting feedback from accelerometers and gyros on board,

и гироскопов на борту.

and calculating, like I said before,

Как я уже сказал, они рассчитывают

commands at 600 times a second,

и посылают 600 команд в секунду,

to stabilize this robot.

чтобы поддержать устойчивость робота.

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

Слева вы видите, как Даниэль подбрасывает робота в воздух.

and it shows you how robust the control is.

Посмотрите, насколько надёжен его контроль.

Независимо от того, как вы его бросаете,

No matter how you throw it,

the robot recovers and comes back to him.

роботу удаётся вернуться в исходное положение.

So why build robots like this?

Для чего нужны такие роботы?

У них много областей применения.

Well, robots like this have many applications.

Мы можем заслать их в здания

You can send them inside buildings like this,

as first responders to look for intruders,

для поиска злоумышленников,

обнаружения биохимических или

maybe look for biochemical leaks,

газообразных утечек.

gaseous leaks.

Их можно также использовать

You can also use them for applications like construction.

в строительстве объектов.

So here are robots carrying beams, columns

Вот роботы, переносящие балки, колонны

и создающие кубообразные структуры.

and assembling cube-like structures.

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

Чуть позже я вернусь к этому.

The robots can be used for transporting cargo.

Роботов можно использовать для переводки грузов.

So one of the problems with these small robots

Недостатком этих маленьких роботов является

is their payload-carrying capacity.

их полезная грузоподъёмность.

So you might want to have multiple robots carry payloads.

Поэтому вам могут понадобиться

несколько роботов для работы.

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

Вот недавно проведённый нами эксперимент,

хотя он не такой уж и недавний.

actually not so recent anymore --

in Sendai, shortly after the earthquake.

Это было в Сендае сразу после землетрясения.

So robots like this could be sent into collapsed buildings,

Роботы могут быть отправлены в разрушенные здания

для оценки ущерба после стихийных бедствий;

to assess the damage after natural disasters,

или посланы в заражённые радиацией здания

or sent into reactor buildings,

to map radiation levels.

для определения уровня радиации.

So one fundamental problem that the robots have to solve

Чтобы быть самоуправляющимся,

роботу необходимо решить одну из ключевых проблем,

if they are to be autonomous,

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

а именно — понять,

как добраться из точки А в точку Б.

So this gets a little challenging,

Это совсем не простая задача,

because the dynamics of this robot are quite complicated.

поскольку динамика этого робота довольно сложна.

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

Эти роботы живут в 12-мерном пространстве.

Мы пошли на маленькую хитрость:

So we use a little trick.

We take this curved 12-dimensional space,

взяли изогнутое 12-мерное пространство

и преобразили его

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

в плоское 4-мерное пространство.

4-мерное пространство

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

состоит из X, Y, Z и угла рыскания.

and then the yaw angle.

And so what the robot does,

Задача робота — спланировать

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

минимальную и быструю траекторию.

Напомню вам физику:

So to remind you of physics:

You have position, derivative, velocity;

существуют производные позиции —

then acceleration;

скорость, затем ускорение,

and then comes jerk,

а потом рывок

and then comes snap.

и толчок.

So this robot minimizes snap.

Робот минимизирует эффект толчка

So what that effectively does,

и таким образом делает

is produce a smooth and graceful motion.

движения гладкими и изящными.

And it does that avoiding obstacles.

Он также избегает препятствия.

Минимальные траектории в плоском пространстве

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

затем преобразуются обратно

back into this complicated 12-dimensional space,

в сложное 12-мерное пространство,

которым робот должен владеть

which the robot must do for control and then execution.

для контроля и выполнения задач.

So let me show you some examples

Позвольте показать вам,

of what these minimum-snap trajectories look like.

как выглядят эти минимальные траектории.

В первом видео вы видите,

And in the first video,

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

как робот движется из точки А в точку Б

через промежуточную точку.

through an intermediate point.

(Whirring noise)

Роботы, естественно, способны

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

выполнять любые кривые траектории.

В этих круговых траекториях

So these are circular trajectories,

where the robot pulls about two G's.

ускорение робота равно почти двум g.

Here you have overhead motion capture cameras on the top

На борту есть камеры захвата движения,

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

сообщающие роботу его местоположение 100 раз в секунду.

It also tells the robot where these obstacles are.

Они также указывают ему на препятствия.

Препятствия могут перемещаться.

And the obstacles can be moving.

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

Посмотрите, Даниэль подбрасывает обруч,

while the robot is calculating the position of the hoop,

робот рассчитывает положение обруча

и вычисляет, как лучше преодолеть его.

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

Учёные часто из кожи вон лезут,

So as an academic,

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

добиваясь финансирования своих лабораторий.

to raise funding for our labs,

Поэтому и наши роботы умеют это делать.

and we get our robots to do that.

(Applause)

(Аплодисменты)

Ещё робот может запоминать

So another thing the robot can do

заученные или запрограммированные

is it remembers pieces of trajectory

that it learns or is pre-programmed.

части траектории.

Здесь мы видим, как робот

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

сочетает движение,

создающее импульс,

and then changes its orientation and then recovers.

меняет ориентацию и затем обретает равновесие.

Это нужно, потому что проём окна

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

is only slightly larger than the width of the robot.

лишь немного шире робота.

Ныряльщик на трамплине отталкивается от него,

So just like a diver stands on a springboard

and then jumps off it to gain momentum,

чтобы набрать движущую силу,

делает пируэт в два с половиной оборота

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

и затем изящно выпрямляется.

and then gracefully recovers,

this robot is basically doing that.

По сути, наш робот делает то же самое.

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

Робот знает, как соотнести части траекторий

to do these fairly difficult tasks.

для выполнения сложных задач.

Сменим тему.

So I want change gears.

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

Одним из недостатков маленьких роботов является их размер.

Как я уже отметил,

And I told you earlier

that we may want to employ lots and lots of robots

нам может понадобиться множество роботов

для решения этой проблемы.

to overcome the limitations of size.

Возникает вопрос:

So one difficulty is:

How do you coordinate lots of these robots?

как скоординировать их работу?

And so here, we looked to nature.

Мы воспользовались примером из природы.

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

В этом видео

пустынные муравьи Aphaenogaster

переносят объект в лаборатории Стивена Прата.

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

Это кусок фигового дерева.

So this is actually a piece of fig.

Можете дать им любой объект, покрытый

Actually you take any object coated with fig juice,

соком инжира, и они отнесут его в муравейник.

and the ants will carry it back to the nest.

So these ants don't have any central coordinator.

Эти муравьи не имеют центрального координатора.

Они ощущают своих соседей

They sense their neighbors.

без явной передачи информации.

There's no explicit communication.

Поскольку они ощущают соседей

But because they sense the neighbors

и ощущают сам объект,

and because they sense the object,

they have implicit coordination across the group.

в группе происходит неявная координация.

Мы бы хотели, чтобы наши роботы

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

имели именно такую согласованность.

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

Когда у нас есть робот,

окружённый соседями —

взгляните на роботов I и J —

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

мы хотим, чтобы роботы

what we want the robots to do,

следили за расстоянием между собой

is to monitor the separation between them,

as they fly in formation.

при полёте в строю.

And then you want to make sure

Нужно убедиться,

that this separation is within acceptable levels.

что расстояние между ними достаточное.

Опять же, роботы отслеживают погрешность

So again, the robots monitor this error

and calculate the control commands 100 times a second,

и рассчитывают управляющие команды

100 раз в секунду,

which then translates into motor commands,

переводя их затем в 600 моторных команд в секунду.

600 times a second.

Это должно быть сделано

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

в децентрализованном порядке.

Again, if you have lots and lots of robots,

Если у вас много роботов,

невозможно централизованно скоординировать информацию

it's impossible to coordinate all this information centrally

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

настолько быстро, чтобы роботы смогли выполнить задачу.

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

К тому же, действия роботов зависят

только от местной информации,

от их ощущения соседей.

what they sense from their neighbors.

Наконец, мы хотим,

And then finally,

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

чтобы роботам было всё равно,

кто является их соседом.

So this is what we call anonymity.

Именно это мы называем анонимностью.

Сейчас я покажу вам

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

видео

20-ти роботов, выполняющих

flying in formation.

полёт в строю.

Они отслеживают позицию соседей.

They're monitoring their neighbors' positions.

Они не нарушают строй,

They're maintaining formation.

The formations can change.

даже если их порядок меняется.

They can be planar formations,

Структура может быть как плоской,

they can be three-dimensional formations.

так и трёхмерной.

Вы можете видеть,

As you can see here,

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

они переходят от трёхмерной структуры к плоской.

Для преодоления препятствия

And to fly through obstacles,

they can adapt the formations on the fly.

роботы адаптируются на лету.

Они расположены очень близко друг к другу.

So again, these robots come really close together.

As you can see in this figure-eight flight,

При выполнении «восьмёрки», они

they come within inches of each other.

пролетают в нескольких сантиметрах друг от друга.

Несмотря на аэродинамическое взаимодействие

And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades,

их лопастей,

they're able to maintain stable flight.

они поддерживают стабильный полёт.

(Applause)

(Аплодисменты)

Если роботы умеют летать в строю,

So once you know how to fly in formation,

они могут и поднимать объекты сообща.

you can actually pick up objects cooperatively.

Это означает,

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

что мы можем увеличить в 2, 3 или 4 раза

силу роботов, заставляя их

the robots' strength,

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

объединяться с соседями, как вот здесь.

Но если мы утяжеляем переносимые предметы,

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

появляются некоторые недостатки:

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

объект несут несколько роботов,

поэтому увеличивается инерция, и роботы

you're essentially increasing the inertia,

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

становятся менее быстрыми — такой исход неизбежен.

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

Но мы выигрываем в плане полезной грузоподъёмности.

Хочу показать вам ещё одну работу

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

нашей лаборатории.

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

Это работа аспиранта Квентина Линдси.

Созданный им алгоритм говорит роботам,

So his algorithm essentially tells these robots

как самостоятельно строить

how to autonomously build cubic structures

кубообразные структуры

из таких элементов, как балки.

from truss-like elements.

Алгоритм сообщает роботу,

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

какую балку взять,

где и когда её опустить.

when, and where to place it.

Из этого видео, ускоренного

So in this video you see --

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

в 10 и в 14 раз, видно,

как роботы строят 3 разные конструкции.

you see three different structures being built by these robots.

Они полностью автономны,

And again, everything is autonomous,

Квентин должен всего лишь

and all Quentin has to do

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

дать им план конструкции,

которую он хочет построить.

So all these experiments you've seen thus far,

Все увиденные вами эксперименты,

all these demonstrations,

все наглядные представления

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

были сделаны с помощью системы захвата движения.

Что же происходит, если мы покидаем

So what happens when you leave your lab,

лабораторию и выходим на улицу, в реальный мир?

and you go outside into the real world?

And what if there's no GPS?

Как быть, если нет GPS?

So this robot is actually equipped with a camera,

Этот робот оснащён

камерой и лазерным дальномером,

лазерным сканирующим устройством.

and a laser rangefinder, laser scanner.

Он использует датчики

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

для построения карты окружающей среды.

Карта состоит из таких объектов,

What that map consists of are features --

как двери, окна,

like doorways, windows, people, furniture --

люди, мебель.

Она также определяет положение робота

and it then figures out where its position is,

по отношению к этим объектам.

with respect to the features.

So there is no global coordinate system.

Это не глобальная система координат.

Это система координат, определённая роботом,

The coordinate system is defined based on the robot,

where it is and what it's looking at.

его положением и ориентацией в пространстве.

And it navigates with respect to those features.

Он двигается согласно этим показателям.

Хочу показать вам видео алгоритмов,

So I want to show you a clip

of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael,

разработанных Франком Шеном

и профессором Натаном Майклом.

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

Здесь видно, как робот впервые попадает в здание

and creating this map on the fly.

и на лету создаёт карту местности.

So the robot then figures out what the features are,

Робот определяет объекты вокруг.

it builds the map,

Он создаёт карту и определяет

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

своё положение по отношению к объектам;

and then estimates its position 100 times a second,

он обновляет своё положение

100 раз в секунду, что позволяет нам

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

использовать алгоритмы управления,

о которых я вам уже рассказал.

So this robot is actually being commanded remotely by Frank,

Этот робот дистанционно

управлялся Франком.

Но он также мог решать сам,

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

куда направиться.

Предположим, меня отправили

So suppose I were to send this into a building,

исследовать незнакомое мне здание.

and I had no idea what this building looked like.

Я могу заслать туда робота,

I can ask this robot to go in,

который создаст карту

create a map,

и сообщит мне, как выглядит здание.

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

So here, the robot is not only solving the problem

Здесь робот не только определяет,

как добраться из точки А в точку Б по карте,

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.

но также вычисляет лучшую

точку Б в каждый момент времени.

Он знает, куда направиться

So essentially it knows where to go

to look for places that have the least information,

для поиска слабоизученных мест.

Вот как он заполняет карту.

and that's how it populates this map.

So I want to leave you with one last application.

Напоследок расскажу вам

ещё об одном приложении.

And there are many applications of this technology.

У него есть много сфер применения.

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

Я профессор, и мы увлечены образованием.

Такие роботы могут значительно изменить

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

наше среднее образование.

Но мы сейчас в Южной Калифорнии,

But we're in Southern California,

близко к Лос-Анджелесу,

close to Los Angeles,

поэтому я должен закончить

so I have to conclude with something focused on entertainment.

чем-то из области развлечений.

Хочу закончить этим музыкальным видео.

I want to conclude with a music video.

Представляю вам Алекса и Даниэля,

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

его создателей.

(Аплодисменты)

(Applause)

So before I play this video,

Перед просмотром хочу

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

сказать, что они создали его за 3 дня,

after getting a call from Chris.

после того, как им позвонил Крис.

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

Роботы в этом видео

полностью самоуправляемы.

You will see nine robots play six different instruments.

9 роботов будут играть на 6-ти музыкальных инструментах.

Это сделано специально для TED 2012.

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

Давайте посмотрим.

Let's watch.

(Sound of air escaping from valve)

(Music)

(Whirring sound)

(Music)

(Музыка)

(Аплодисменты)

(Applause) (Cheers)