Klargøring af robotter til den virkelige verden

I et falmet gult lager på Albany Street tænder Atlas-robotten. Denne hulking humanoide maskine, der står seks fod to tommer høj og vejer 330 pund, fyrer op med en kraftig, høj brummen fra en pumpe, der sætter væske under tryk til sine hydrauliske led. Ophængt lige over jorden af ​​en tøjring begynder den at bevæge sine fødder og arme, som en del af en rutine til at kalibrere aktuatorerne i sine 28 led.

Helios, MITs Atlas-robot, er en kandidat i DARPA Robotics Challenge.

Det er lidt ligesom morgenstrækningen, siger Scott Kuindersma, en postdoc i MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).

Mens robotten sænkes ned på gulvet, sidder Pat Marion, en samarbejdende forsker, der vil begynde at arbejde på sin ph.d. i elektroteknik og datalogi (EECS) til efteråret, foran et sæt computerskærme, der er stationeret flere meter væk og ser på verden gennem robottens øjne – eller rettere, kameraer og lidarer knyttet til dens hoved og bryst. Én skærm splejser et fiskeøjebillede i lav opløsning af rummet med et smalt, detaljeret billede fra et stereokamera. På en anden skærm er en sort-hvid gengivelse af rummet skabt af en lasersensor. Med et par klik giver Marion robotten et gående mål, hvilket indikerer et sted på skærmen foran dens virtuelle billede; systemet reagerer med et foreslået sæt virtuelle fodtrin på skærmen. Robotten bevæger langsomt sine fødder og flytter sin vægt fra side til side for hvert trin, mens dens hydrauliske pumpe hviner. Efter at den når et væltet metalstativ, beordrer Marion den til at tage en træplade op, der læner sig mod stativet. Med en klolignende håndfastgørelse tager robotten forsigtigt fat i brættet, løfter det op og svinger armen til højre, så træet klaprer til jorden. En opgave udført for dagen.

Robotten er blevet programmeret af et hold af studerende, postdocs og fakultetsmedlemmer ledet af EECS-professor Seth Teller og Russ Tedrake, PhD '04, en lektor med dobbelte ansættelser i EECS og luftfart og astronautik. Holdet repræsenterer MIT i US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Robotics Challenge, en flerårig turnering designet til at fremskynde udviklingen af ​​robotter, der kan hjælpe mennesker i den virkelige verdens katastrofehjælpsindsats og nødscenarier – robotter, der kunne have forsvundet ind i Fukushima atomkraftværket efter dets tredobbelte nedsmeltning, for eksempel, så menneskelige arbejdere ikke ville blive udsat for skadelig stråling. Konkurrencen tilbød to spor til holdene fra den akademiske verden, industrien og regeringen: nogle byggede deres egne robotter, mens andre hold, inklusive MIT's, fokuserede på at udvikle software til at styre Atlas-robotten, designet og bygget af MIT-spinoff-virksomheden Boston Dynamics. (Baseret i Waltham, Massachusetts, Boston Dynamics blev medstiftet af Marc Raibert, PhD '77, en tidligere EECS-professor og medlem af MIT's AI Lab. Google købte virksomheden for et ikke oplyst beløb sidste år.)

DARPA Robotics Challenge (DRC) har tre faser. I den første brugte softwareholdene deres programmer til at guide et simuleret Atlas gennem flere opgaver i en Virtual Robotics Challenge afholdt i juni 2013. Ved DRC Trials i december 2013 samledes hold på en racerbane i Florida for at teste evnerne hos rigtige robotter —og at tjene retten til at konkurrere om en præmie på $2 millioner i konkurrencens tredje fase, DRC Finals i 2015.

En uimodståelig udfordring
Ved første øjekast virker robotternes opgaver til forsøgene overraskende enkle: åbne døre, klatre op på en stige, manipulere en slange og betjene ventiler, blandt andre. En menneskelig førstehjælper kunne gøre enhver af disse ting på få sekunder, og den magtfulde Atlas var bestemt fysisk i stand til at udføre dem. Men det er en kæmpe udfordring at designe og programmere en robot, der kan navigere og manipulere objekter på et katastrofested, hvor forholdene er rodede og kommunikationen plettet. Selvom fabriksrobotter rutinemæssigt udfører komplekse opgaver, er de programmeret til at gøre én ting godt i et miljø, der er eksplicit designet til det.

Den virkelige verden er et utilgiveligt sted, siger Teller. Det er umuligt at forudse de forhold, som robotter vil støde på, så de skal blive meget mere lydhøre og tilpasningsdygtige. Det er ikke, at du konstruerer verden til at hjælpe robotten, siger han. Du konstruerer robotten til at gå ud i verden for at udføre det arbejde, der skal udføres.

Maurice Fallon, Seth Teller (i hætten) og Pat Marion gennemgår billeder afledt af Helios's sensordata ved Florida-forsøgene og overvejer, hvordan man fortsætter under slangeopgaven.

Teller og Tedrake besluttede at danne et DRC-hold tidligt i 2012, da snakken om konkurrencen spredte sig gennem robotsamfundet. Deres færdigheder er komplementære. Teller, der leder Robotics, Vision, and Sensor Networks-gruppen i CSAIL, fokuserer på at hjælpe maskiner med at fornemme deres omgivelser og interagere med mennesker; Tedrake, der leder CSAILs Robot Locomotion-gruppe, fokuserer på kontrol af bevægelser, især gang.

Der var ingen mangel på forskere – og studerende – der var ivrige efter at hjælpe. DRC-indsatsen har al spændingen fra et typisk forskningsprojekt sammen med den ekstra intensitet af hårde deadlines og høj synlighed international konkurrence om konkrete opgaver, siger Teller. Med strenge datoer for konkurrencer er der ingen tid til at nå perfektion og lidt spillerum, hvis noget ikke fungerer korrekt. Teller og Tedrake rekrutterede forsker Maurice Fallon til at lede arbejdet med robottens opfattelse og Kuindersma til at stå for planlægning og kontrol. Teller aflyttede også Matthew Antone '95, MEng '96, PhD '01, som havde arbejdet sammen med ham på MIT's 2006-'07 DARPA Urban Challenge-team, der udviklede selvkørende køretøjer, mens postdoc Sisir Karumanchi gav tidlig støtte til udvikling af software til at manipulere objekter . De og andre fra omkring MIT forsøgte at svare på DARPA med et formelt forslag inden udgangen af ​​maj. (Marion, en dygtig softwareingeniør, ville slutte sig til holdet senere for at lede udviklingen af ​​operatør-robotgrænsefladen.) I alt omfatter holdet 12 studerende og 12 fakulteter, postdocs og medarbejdere fra CSAIL; afdelingerne EECS, Mechanical Engineering og Aero-Astro; og Center for Ocean Engineering.

På det tidspunkt, hvor DRC officielt begyndte i oktober 2012 med ankomsten af ​​$375.000 i indledende DARPA-finansiering og et kickoff-møde i agenturet, havde MIT-teamet allerede brugt seks måneder på at rejse midler, lave foreløbige design- og implementeringsundersøgelser og undersøge passende laboratorierum rundt på campus.

Målet med konkurrencen er ikke at få robotter til at tænke og handle selv. Men Teller siger, at MIT-teamets strategi fra begyndelsen fokuserede på at flytte mange af beslutningerne på lavt niveau til robotten. Selvom DARPA ville give eksplicit information om opsætningen af ​​hver opgave, siger Teller, valgte de ikke at programmere robotten til at udføre hver enkelt og ikke at have en menneskelig baby-sitte hver bevægelse.

I stedet ønskede de en frem og tilbage mellem menneske og robot. Operatøren ville vurdere sensorisk information fra robotten og beslutte, hvad han skulle gøre. Robottens software ville derefter udvikle en bevægelsesplan for at udføre opgaven, som mennesket kunne godkende eller justere. Enhver beslutning ville blive truffet med det samme.

Fordi den virkelige verden er uforudsigelig, kan du ikke bare have en dåseplan og forvente, at den lykkes, siger Teller. Han og hans holdkammerater var overbeviste om, at deres fleksible system i sidste ende ville være mest effektivt og reducere den menneskelige hjernekraft, der kræves for hvert trin. Men de havde meget arbejde at gøre.

Fase 1: Er dit softwareatlas værdigt?
I ugerne op til Virtual Robotics Challenge (VRC) slog teammedlemmerne lejr i CSAIL-laboratoriet i Stata Center døgnet rundt og levede af et roterende udvalg af Pop-Tarts, frugt og takeaway, mens de forsøgte at forudse problemer der kan komme op i simuleringen og udvikle løsninger. Den 18., 19. og 20. juni deltog mere end to dusin hold i VRC-simuleringer i deres egne laboratorier. Hos CSAIL satte operatørerne for hver opgave sig i et sidekontor og fokuserede intenst på en gengivelse af den virtuelle robot, mens de satte deres software igennem dens hastigheder; andre teammedlemmer så deres fremskridt på et videolink udenfor.

Helios scorer i stigeopgaven.

Holdets forberedelse gav pote. For det meste virkede robottens bevægelser, når softwaren planlagde. Men for en god ordens skyld blev der skrevet et par bevægelser ind i softwaren for at hjælpe den virtuelle robot med at komme ud af svære situationer. Kandidatstuderende Andrés Valenzuela, SM ’11, fandt ud af, hvordan man for eksempel fik den til at kravle, hvilket viste sig at være nyttigt; den faldt under konkurrencen og kravlede til målstregen netop som tiden udløb.

Da DARPA annoncerede resultaterne af de virtuelle forsøg, sluttede MIT på tredjepladsen ud af 26 hold. Forskerne havde ryddet den første store forhindring og vundet yderligere $750.000 i finansiering og en plads ved DRC-prøverne i december. Nu skulle de bare overføre deres virtuelle succes til en maskine på 330 pund.

Lær robotten at kende
Med softwaretestene bag sig planlagde medlemmer af MIT-teamet deres sommerferier omkring den længe ventede afsløring af deres hårdt tilkæmpede Atlas i august. Et hold fra Boston Dynamics ankom til Albany Street-lageret (plads lånt fra Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, da maskineriet er for støjende for CSAIL-laboratorierne og for rodet - det ville dryppe hydraulisk væske på tæpperne ). De pakkede forsigtigt robotten ud, som de havde døbt Helios, og hev den fra en stor skibskasse af træ.

For alle teammedlemmerne var dette en fantastisk chance for at se de algoritmer, de udvikler, inkorporeret i en af ​​de mest avancerede humanoide robotter, der nogensinde er skabt. Faktisk var denne mulighed et stort trækplaster for Tedrake selv. Jeg ville gerne lege med den her robot, siger han. Med et laboratorium fokuseret på at designe kontrolsystemer i stedet for at bygge dyr hardware, tilføjer han, ville han aldrig bygge noget så smukt som denne robot.

Men tiden var knap: Der var kun fire måneder til at forberede sig til DRC Trials i Florida, som ville finde sted i slutningen af ​​december. Holdet skal placeres blandt de otte bedste i disse forsøg for at modtage $1 million i finansiering fra DARPA for at fortsætte arbejdet og konkurrere om prisen på $2 millioner i DRC Finals.

Meget af den software, som forskerne havde udviklet til simulatoren, blev sømløst overført til robotten, selvom dens motorstyringssystemer på lavt niveau krævede justeringer. Men selv om de kunne få deres simulerede robot til at kravle ud af en dårlig situation, havde den sarte og dyre Atlas brug for sikkerhedsbindinger for at forhindre den i at falde. Af og til skyder robotten hydraulisk væske under tryk gennem luften, så teammedlemmerne bar sikkerhedsbriller og stod bag plexiglas. Og det var utroligt højt: Tedrake købte støjreducerende hovedtelefoner til folk, der havde brug for en pause.

Et teammedlem blev udpeget som den primære operatør af robotten for hver opgave, den skulle udføre i Florida, mens en anden var klar til at hjælpe robotten med at opfatte sit miljø. Givet den visuelle information fra robottens kameraer og sensorer, kunne perception wingman hjælpe den med at identificere et objekt af interesse - for eksempel en boremaskine eller et dørhåndtag. Robotten kunne derefter få adgang til forprogrammeret information om, hvordan boremaskiner og dørhåndtag var, og hvordan man griber og manipulerer dem.

Da forsøgene var et par uger væk, var softwaren på plads, og holdet fokuserede på øver sig . Med mange studerende, der jonglerede med finalen, samledes medlemmerne i det indelukkede lager ved syvtiden hver morgen, mens de kørte robotten igennem hver opgave og håbede, at det, de opnåede i laboratoriet, ville overføres til udendørs omgivelser. Efter et kort indtog på Albany Street-fortovet en morgen under frysepunktet - robottens første operation udendørs - pakkede de Helios og deres udstyr forsigtigt ind i en lastbil og sendte den til Florida.

Etape to: Robotter på racerbanen
Publikum samledes på Homestead-Miami Speedway den 20. og 21. december var afgjort nørdere end de NASCAR-fans, der normalt fyldte sæderne. Men forventningen var lige så høj, som tilskuerne ventede på at se verdens bedste robotikere og deres maskiner slå det ud. Hvert af de 16 hold (nogle finansieret af DARPA og nogle selvfinansieret) havde en kontrolstation opstillet i pitlanes, hvor medlemmer fjernstyrede deres robot, mens den konkurrerede om point i otte forskellige opgaver: at køre et køretøj, at gå over ujævne. terræn, klatre op på en stige, rydde affald, åbne en række døre, skære en form i en væg med en ledningsfri boremaskine, dreje en ventil og manipulere en slange. Inden for disse opgaver kunne et team modtage et point for hver af tre delopgaver og et bonuspoint for at udføre alle tre uden indblanding. For at simulere et katastrofescenarie blev kommunikationen mellem holdene og deres robotter periodisk bremset til et signal med lav båndbredde.

Selvom holdene havde modtaget eksplicitte beskrivelser af opgaverne på forhånd, så de kunne øve sig, viste forsøgene, hvor vanskeligt tingene bliver, når forholdene ikke er perfekt kontrolleret. De udendørs omgivelser introducerede nye variabler: stærkt sollys, stærk brise og overraskende varme temperaturer i december, hvilket får bærbare computere til at overophedes.

Helio er sikret i en ATV til køretøjsopgaven af ​​Maurice Fallon (til venstre) og Scott Kuindersma.

Team Schaft, der repræsenterer en spinoff-virksomhed fra University of Tokyo, som også blev opkøbt af Google lige før begivenheden, var den klare vinder: robotten, som det designede, sejlede gennem opgaver med jævne bevægelser. For det meste var forsøgene dog et vigtigt realitetstjek for alle, der er vant til at se humanoide robotter lade på tværs af filmskærme. Selvom begivenheden fandt sted på en racerbane bygget til fart, lignede det mere en konkurrence i ekstremt langsom tai chi. Maskinerne trådte forsigtigt hen over affald, kæmpede for at åbne døre og klatrede op ad stiger med ulidelig bevidsthed.

Nogle ting gik simpelthen ikke som planlagt. I deres første forsøg guidede Fallon og Marion Helios gennem en opgave, der involverede at fjerne 10 stykker træ for at rydde en sti til en døråbning (de ville få et point for de første fem stykker og et for de fem andre). Fallon havde lige fået robotten til at rydde det femte bræt væk, da træet hoppede og faldt tilbage foran det. Tiden var for kort til at fuldføre opgaven som planlagt, men han var i stand til at tage robotten ud af den planlagte kurs for at få det omstrejfende træ af vejen og fange et punkt. Hvor småt og ubetydeligt det end lyder, var det en stor bedrift for os, siger han. Senere faldt Helios, mens han forsøgte at gå gennem tre døråbninger, og mens han steg op af en stige. Men holdet vandt det fulde sæt af point for bore- og ventilopgaverne.

For de hold, der konkurrerede, var det glædeligt at demonstrere selv nogle af disse færdigheder. Gill Pratt '83, SM '87, PhD '90, programleder i DARPA's Defense Sciences Office, siger, at på trods af de vanskeligheder, holdene stod over for, oversteg forsøgene hans forventninger. Vi forventede, at det bedste hold måske ville få omkring halvdelen af ​​pointene, siger han. Team Schaft fejede konkurrencen med 27 ud af 32 mulige point. Et hold fra Florida Institute for Human and Machine Cognition (IHMC) vandt andenpladsen med en Atlas-robot, og Carnegie Mellon University kom på tredjepladsen med en robot kaldet CHIMP (til CMU meget intelligent mobil platform). MED kom på fjerdepladsen og vandt 16 point. Nogle af holdene med selvdesignede robotter, herunder en designet af NASAs Johnson Space Center, formåede ikke at fuldføre nogen af ​​opgaverne i tide.

Selvom noget af pressedækningen af ​​Florida-processerne fokuserede på, hvor smarte robotterne var, blev hvert eneste træk i virkeligheden koreograferet af menneskelige operatører. Bare fordi kroppen ligner et menneske eller et dyr, betyder det ikke, at robottens hjerne er nær så god, siger Pratt. Selvom robotterne i stigende grad er i stand til at planlægge og udføre detaljerne i deres bevægelser på egen hånd, tænker mennesker stadig.

Men forskellige teams havde forskellige måder at styre kommunikationen mellem menneske og maskine på. MIT havde et særligt veldesignet menneske-maskine-interface, siger Pratt. Især havde holdet skabt software, der gjorde det muligt for operatører hurtigt at hjælpe robotten med at opfatte vigtige objekter i sit miljø. Når en grænseflade er godt designet, siger han, kan operatøren opnå mere med mindre arbejde. Mens mange andre teams brugte joystick-lignende kontroller til at manipulere robotten, siger Teller, tog MIT-teamet en mere beregningsmæssig, mindre manuel tilgang. Ideen er at give robotten kommandoer på et stadigt højere niveau og på sigt udvikle maskiner, der i mindre og mindre grad er afhængige af en yderst dygtig operatør til at trække i trådene.

Ved forsøgene i Florida klarer Helios ventilopgaven, hvor han går til og betjener tre forskellige slags vægmonterede ventiler.

Selvom prøvelserne var intense, siger Teller, at de var overraskende sjove; det var første gang, teams, der havde arbejdet i flere måneder på deres egne projekter, havde mulighed for at mødes og vise deres arbejde frem. Selvom de var konkurrenter, fandt de ud af, at de hjalp hinanden og lånte dele frem og tilbage. Og selvom MIT-robotten blev slået af nogle af de andre, vandt dens stærke finish holdet yderligere 1 million dollars til at fortsætte sit arbejde mod DRC Finals, som sandsynligvis finder sted næste forår.

Trin tre: Klargøring til et sidste opgør
Helios er nu tilbage i sit hjem på Albany Street, og MIT-holdet har endelig en længere periode til at forbedre sit system. Til de kommende finaler presser holdet robottens autonomi endnu længere. Kommunikationsforbindelserne mellem mennesker og robotter kan blive bremset mere dramatisk og skæres helt fra tid til anden, så forskerne forsøger at give deres maskine selvstændighed på opgaveniveau, hvilket betyder, at den kan klare at samle en slange op eller åbne en dør på egen hånd . I en nylig demonstration fik Marion Atlas til at nærme sig et bord, samle fire genstande op fra det og slippe dem i en spand, alt sammen som svar på en simpel gå-kommando.

Pratt siger, at finalen også bliver sværere på andre måder. Sikkerhedsbindinger, der holdt robotter oprejst, hvis de mistede balancen, er sandsynligvis væk; robotterne bliver nødt til at tage sig selv op, hvis de falder. I stedet for at blive tilsluttet en strømkilde, skal maskinerne bære deres egne strømreserver. Og de bliver nødt til at navigere i et mere kontinuerligt sæt opgaver. Dette vil kræve, at MIT-teamet gør Helios endnu mere flydende i sine bevægelser og bedre i stand til at opfatte sit miljø.

Tedrake siger, at med tiden til at udvikle mere sofistikerede algoritmer, vil alle holdene være i stand til at demonstrere bevægelser i finalerne, der er hurtigere og mindre stoppende - lidt mindre som tai chi. Det, der skal ske for at gøre robotterne mere dynamiske, mere yndefulde, er, at de skal forstå deres egen fysik bedre og hurtigere kunne ræsonnere om det, siger han. Teller, Tedrake og teamet er allerede begyndt at udgive papirer om deres tilgang, og de har gjort noget af deres kildekode tilgængelig offentligt.

Selv med software, der gør det muligt for robotter at bevæge sig hurtigere og udrette mere, vil der stadig være tidspunkter, hvor maskinerne snubler, misser et mål eller er nødt til at kravle til målstregen. Folk har dette billede af robotter som perfektion, siger Teller, men billedet af disse samlebåndsmaskiner, der opererer under stivt kontrollerede forhold, er ikke den måde, disse ting vil være, når de bliver implementeret ude i den virkelige verden. Alligevel er det en del af det sjove ved at designe robotter, der kan klare livets rodet. Vi er ikke ude efter perfektion her, siger han. Vi er ude efter kapacitet. Kan mennesker og maskiner, der arbejder sammen, få arbejdet gjort?

skjule