211service.com
Robots klaarmaken voor de echte wereld
In een verbleekt geel pakhuis in Albany Street wordt de Atlas-robot ingeschakeld. Deze kolossale mensachtige machine, met een lengte van zes voet en twee inches en een gewicht van 330 pond, start met een krachtig, hoog gezoem van een pomp die vloeistof onder druk zet voor zijn hydraulische verbindingen. Net boven de grond opgehangen aan een ketting, begint het zijn voeten en armen te bewegen, onderdeel van een routine om de actuatoren in zijn 28 gewrichten te kalibreren.
Helios, de Atlas-robot van MIT, doet mee aan de DARPA Robotics Challenge.
Dit is een beetje zoals het ochtendtraject, zegt Scott Kuindersma, een postdoc in het Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) van MIT.
Terwijl de robot op de grond wordt neergelaten, zit Pat Marion, een samenwerkende onderzoeker die dit najaar begint te werken aan zijn doctoraat in de elektrotechniek en informatica (EECS), voor een reeks computermonitoren die enkele meters verderop zijn gestationeerd en kijkt naar de wereld door de ogen van de robot - of liever, camera's en lidars die aan zijn hoofd en borst zijn bevestigd. Eén scherm koppelt een lage resolutie fish-eye-weergave van de kamer aan een smal, gedetailleerd beeld van een stereocamera. Op een ander scherm is een zwart-wit weergave van de ruimte gemaakt door een lasersensor. Met een paar klikken geeft Marion de robot een lopend doel, waarbij hij een plek op het scherm aangeeft vóór zijn virtuele beeld; het systeem reageert met een voorgestelde reeks virtuele voetstappen op het scherm. De robot beweegt langzaam zijn voeten en verplaatst zijn gewicht bij elke stap heen en weer terwijl de hydraulische pomp jankt. Nadat het een omgevallen metalen rek heeft bereikt, beveelt Marion het om een houten plank op te pakken die tegen het rek leunt. Met een klauwachtige handbevestiging grijpt de robot voorzichtig het bord vast, tilt het op en zwaait zijn arm naar rechts, waardoor het hout op de grond klettert. Een taak volbracht voor de dag.
De robot is geprogrammeerd door een team van studenten, postdocs en faculteitsleden onder leiding van EECS-professor Seth Teller en Russ Tedrake, PhD '04, een universitair hoofddocent met dubbele benoemingen in EECS en luchtvaart en ruimtevaart. Het team vertegenwoordigt MIT in de Robotics Challenge van het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), een meerjarig toernooi dat is ontworpen om de ontwikkeling van robots te versnellen die mensen kunnen helpen bij rampenbestrijding en noodscenario's - robots die hadden kunnen verdwijnen in de kerncentrale van Fukushima, bijvoorbeeld na de drievoudige kernsmelting, zodat menselijke arbeiders niet zouden worden blootgesteld aan schadelijke straling. De competitie bood teams uit de academische wereld, de industrie en de overheid twee sporen: sommigen bouwden hun eigen robots, terwijl andere teams, waaronder die van MIT, zich richtten op het ontwikkelen van software om de Atlas-robot te besturen, ontworpen en gebouwd door het MIT-spin-offbedrijf Boston Dynamics. (Boston Dynamics, gevestigd in Waltham, Massachusetts, werd mede opgericht door Marc Raibert, PhD '77, een voormalig EECS-professor en lid van MIT's AI Lab. Google kocht het bedrijf vorig jaar voor een niet nader genoemd bedrag.)
De DARPA Robotics Challenge (DRC) bestaat uit drie fasen. In de eerste gebruikten de softwareteams hun programma's om een gesimuleerde Atlas door verschillende taken te leiden in een Virtual Robotics Challenge die in juni 2013 werd gehouden. Tijdens de DRC Trials in december 2013 verzamelden teams zich op een racecircuit in Florida om de capaciteiten van echte robots te testen -en om het recht te verdienen om mee te dingen naar een prijs van $ 2 miljoen in de derde fase van de competitie, de DRC Finals in 2015.
Een onweerstaanbare uitdaging
Op het eerste gezicht lijken de taken van de robots voor de proeven verrassend eenvoudig: deuren openen, een ladder beklimmen, een slang manipuleren en onder andere kleppen bedienen. Een menselijke eerstehulpverlener zou al deze dingen in enkele seconden kunnen doen, en de krachtige Atlas was fysiek zeker in staat om ze te volbrengen. Maar het is een enorme uitdaging om een robot te ontwerpen en te programmeren die kan navigeren en objecten kan manipuleren op een rampplek, waar de omstandigheden rommelig zijn en de communicatie vlekkerig. Hoewel fabrieksrobots routinematig complexe taken uitvoeren, zijn ze geprogrammeerd om één ding goed te doen in een omgeving die er expliciet voor is ontworpen.
De echte wereld is een meedogenloze plek, zegt Teller. Het is onmogelijk om te anticiperen op de omstandigheden die robots zullen tegenkomen, dus ze moeten veel responsiever en flexibeler worden. Het is niet zo dat je de wereld bouwt om de robot te helpen, zegt hij. Je ontwerpt de robot om de wereld in te gaan om het werk te doen dat gedaan moet worden.
Maurice Fallon, Seth Teller (in dop) en Pat Marion bekijken beelden die zijn afgeleid van de sensorgegevens van Helios tijdens de proeven in Florida en overleggen over hoe verder te gaan tijdens de slangtaak.
Teller en Tedrake besloten begin 2012 een DRC-team te vormen, omdat het geklets over de wedstrijd zich door de robotgemeenschap verspreidde. Hun vaardigheden zijn complementair. Teller, hoofd van de Robotics, Vision, and Sensor Networks-groep in CSAIL, richt zich op het helpen van machines om hun omgeving te voelen en met mensen om te gaan; Tedrake, die de Robot Locomotion-groep van CSAIL leidt, richt zich op de beheersing van bewegingen, met name lopen.
Er was geen gebrek aan onderzoekers - en studenten - die graag wilden helpen. De DRC-inspanning heeft alle opwinding van een typisch onderzoeksproject, samen met de extra intensiteit van harde deadlines en goed zichtbare internationale concurrentie op concrete taken, zegt Teller. Met strikte data voor wedstrijden is er geen tijd om perfectie te bereiken en weinig speelruimte als iets niet goed werkt. Teller en Tedrake rekruteerden onderzoekswetenschapper Maurice Fallon om het werk aan de waarneming van de robot te leiden en Kuindersma om de planning en controle op zich te nemen. Teller tikte ook Matthew Antone '95, MEng '96, PhD '01 aan, die met hem had gewerkt aan het DARPA Urban Challenge-team van MIT 2006–'07 dat zelfrijdende voertuigen ontwikkelde, terwijl postdoc Sisir Karumanchi vroege ondersteuning bood bij het ontwikkelen van software voor het manipuleren van objecten . Zij en anderen van rond het MIT probeerden eind mei op DARPA te reageren met een formeel voorstel. (Marion, een ervaren software-ingenieur, zou later bij het team komen om de ontwikkeling van de operator-robotinterface te leiden.) In totaal bestaat het team uit 12 studenten en 12 docenten, postdocs en medewerkers van CSAIL; de afdelingen EECS, Werktuigbouwkunde en Aero-Astro; en het Centrum voor Ocean Engineering.
Tegen de tijd dat de DRC officieel begon in oktober 2012 met de komst van $ 375.000 aan initiële DARPA-financiering en een kickoff-bijeenkomst bij het agentschap, had het MIT-team al zes maanden besteed aan het inzamelen van fondsen, het doen van voorlopige ontwerp- en implementatiestudies en het onderzoeken van geschikte laboratoriumruimtes rond de campus.
Het doel van de competitie is niet om robots voor zichzelf te laten denken en handelen. Maar Teller zegt dat de strategie van het MIT-team vanaf het begin gericht was op het verschuiven van veel van de beslissingen op laag niveau naar de robot. Hoewel DARPA expliciete informatie zou geven over de opzet van elke taak, zei Teller, kozen ze ervoor om de robot niet te programmeren om elke taak uit te voeren en om geen menselijke baby te laten oppassen bij elke beweging.
In plaats daarvan wilden ze een heen-en-weer tussen mens en robot. De operator zou de sensorische informatie van de robot beoordelen en beslissen wat te doen. De software van de robot zou dan een bewegingsplan ontwikkelen om de taak te volbrengen, dat de mens zou kunnen goedkeuren of aanpassen. Elke beslissing zou on the fly worden genomen.
Omdat de echte wereld onvoorspelbaar is, kun je niet zomaar een ingeblikt plan hebben en verwachten dat het zal slagen, zegt Teller. Hij en zijn teamgenoten waren ervan overtuigd dat hun flexibele systeem uiteindelijk het meest efficiënt zou zijn, waardoor de menselijke denkkracht die voor elke stap nodig was, zou afnemen. Maar ze hadden veel werk te doen.
Fase één: is uw software Atlas-waardig?
In de weken voorafgaand aan de Virtual Robotics Challenge (VRC) kampeerden teamleden de klok rond in het CSAIL-lab in het Stata Center, waar ze leefden van een wisselende selectie van Pop-Tarts, fruit en afhaalmaaltijden terwijl ze probeerden te anticiperen op problemen die in de simulatie naar voren kunnen komen en tijdelijke oplossingen kunnen ontwikkelen. Op 18, 19 en 20 juni namen meer dan twee dozijn teams deel aan VRC-simulaties in hun eigen labs. Bij CSAIL sloten de operators zich voor elke taak af in een zijkantoor en concentreerden ze zich aandachtig op een weergave van de virtuele robot terwijl ze hun software op de proef stelden; andere teamleden bekeken hun voortgang op een videolink buiten.
Helios scoort in de laddertaak.
De voorbereiding van het team wierp zijn vruchten af. Voor het grootste deel werkte het feit dat de software de bewegingen van de robot plant. Maar voor de goede orde werden een paar bewegingen in de software gescript om de virtuele robot uit moeilijke situaties te helpen. Afstudeerstudent Andrés Valenzuela, SM ’11, bedacht hoe je hem bijvoorbeeld kon laten kruipen, wat handig bleek te zijn; het viel tijdens de wedstrijd en kroop naar de finish net toen de tijd verstreken was.
Toen DARPA de resultaten van de virtuele proeven aankondigde, eindigde MIT als derde van de 26 teams. De onderzoekers hadden de eerste grote hindernis genomen en wonnen nog eens $ 750.000 aan financiering en een ligplaats bij de DRC Trials van december. Nu moesten ze alleen hun virtuele succes omzetten in een machine van 330 pond.
De robot leren kennen
Met de softwaretesten achter de rug, planden leden van het MIT-team hun zomervakanties rond de langverwachte onthulling van hun zwaarbevochten Atlas in augustus. Een team van Boston Dynamics arriveerde in het magazijn in Albany Street (ruimte geleend van het Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences, aangezien de machines te lawaaierig zijn voor de CSAIL-labs en ook te rommelig zijn - er zou hydraulische vloeistof op de tapijten druppelen ). Ze pakten voorzichtig de robot uit, die ze Helios hadden genoemd, en hesen hem uit een grote houten transportkist.
Voor alle teamleden was dit een geweldige kans om de algoritmen die ze ontwikkelen, belichaamd te zien in een van de meest geavanceerde humanoïde robots die ooit zijn gemaakt. In feite was die kans een grote aantrekkingskracht voor Tedrake zelf. Ik wilde met deze robot spelen, zegt hij. Met een laboratorium gericht op het ontwerpen van besturingssystemen in plaats van het bouwen van dure hardware, voegt hij eraan toe, zou hij nooit zoiets moois als deze robot bouwen.
Maar de tijd was kort: er waren slechts vier maanden om voor te bereiden op de DRC Trials in Florida, die eind december zouden plaatsvinden. Het team zou in die proeven in de top acht moeten eindigen om $ 1 miljoen aan financiering van DARPA te ontvangen om het werk voort te zetten en te strijden om de prijs van $ 2 miljoen in de DRC Finals.
Veel van de software die de onderzoekers voor de simulator hadden ontwikkeld, werd naadloos overgebracht naar de robot, hoewel de motorcontrolesystemen op laag niveau moesten worden aangepast. Maar terwijl ze hun gesimuleerde robot uit een slechte situatie konden laten kruipen, had de delicate en dure Atlas beveiligingskabels nodig om te voorkomen dat hij zou vallen. Af en toe schoot de robot hydraulische vloeistof onder druk door de lucht, dus de teamleden droegen een veiligheidsbril en stonden achter plexiglas. En het was ongelooflijk luid: Tedrake kocht ruisonderdrukkende koptelefoons voor mensen die een pauze nodig hadden.
Een teamlid werd aangewezen als de primaire operator van de robot voor elke taak die hij in Florida zou moeten uitvoeren, terwijl een ander team aanwezig was om de robot te helpen zijn omgeving waar te nemen. Gezien de visuele informatie van de camera's en sensoren van de robot, kan de perceptie-wingman hem helpen een interessant object te identificeren, bijvoorbeeld een boormachine of een deurklink. De robot had dan toegang tot voorgeprogrammeerde informatie over hoe boren en deurgrepen waren en hoe ze te pakken en te manipuleren.
Tegen de tijd dat de proeven een paar weken verwijderd waren, was de software klaar en concentreerde het team zich op beoefenen . Met veel studenten die met de finale jongleerden, verzamelden de leden zich elke ochtend om zeven uur in het benauwde magazijn, terwijl ze zichzelf timen terwijl ze de robot door elke taak lieten lopen en hoopten dat wat ze in het laboratorium hadden bereikt, zou worden overgebracht naar een buitenomgeving. Na een kort uitstapje op het trottoir van Albany Street op een ochtend onder het vriespunt - de eerste operatie van de robot buiten - pakten ze Helios en hun apparatuur zorgvuldig in een vrachtwagen en stuurden deze naar Florida.
Fase twee: Robots op het circuit
De menigte die zich op 20 en 21 december op de Homestead-Miami Speedway verzamelde, was beslist geekier dan de NASCAR-fans die gewoonlijk de stoelen vulden. Maar de verwachting was net zo hoog als de toeschouwers wachtten om 's werelds beste robotici en hun machines het uit te vechten. Elk van de 16 teams (sommige gefinancierd door DARPA en sommige zelf gefinancierd) had een controlestation in de pitlanes, waar leden hun robot op afstand bestuurden terwijl deze streden om punten in acht verschillende taken: een voertuig besturen, over hobbelige terrein, een ladder beklimmen, puin opruimen, een reeks deuren openen, een vorm in een muur snijden met een accuboormachine, een klep draaien en een slang manipuleren. Binnen deze taken kon een team een punt krijgen voor elk van de drie subtaken en een bonuspunt voor het uitvoeren van alle drie de taken zonder tussenkomst. Om een rampscenario te simuleren, werd de communicatie tussen de teams en hun robots periodiek vertraagd tot een signaal met een lage bandbreedte.
Hoewel de teams van tevoren expliciete beschrijvingen van de taken hadden gekregen, zodat ze konden oefenen, lieten de proeven zien hoe moeilijk het wordt als de omstandigheden niet perfect onder controle zijn. De buitenomgeving introduceerde nieuwe variabelen: fel zonlicht, sterke bries en verrassend warme temperaturen voor december, waardoor laptops oververhit raakten.
Helio wordt voor de voertuigtaak vastgezet in een quad door Maurice Fallon (links) en Scott Kuindersma.
Team Schaft, dat een spin-offbedrijf van de Universiteit van Tokyo vertegenwoordigt dat vlak voor het evenement ook door Google werd overgenomen, was de duidelijke winnaar: de robot die het ontwierp, zeilde met vloeiende bewegingen door taken. Voor het grootste deel waren de proeven echter een belangrijke realiteitscheck voor iedereen die gewend was om humanoïde robots over filmschermen te zien opladen. Hoewel het evenement plaatsvond op een racecircuit dat gebouwd was voor snelheid, leek het meer op een wedstrijd in extreem langzame tai chi. De machines stapten behoedzaam over puin, worstelden om deuren te openen en beklommen ladders met ondraaglijke moedwilligheid.
Sommige dingen gingen gewoon niet zoals gepland. In hun eerste proef leidden Fallon en Marion Helios door een taak waarbij ze 10 stukken hout moesten verwijderen om een pad naar een deuropening vrij te maken (ze zouden één punt krijgen voor de eerste vijf stukken en één voor de tweede vijf). Fallon had de robot net zover gekregen om het vijfde bord weg te ruimen toen het hout stuiterde en ervoor terugviel. De tijd was te kort om de taak uit te voeren zoals gepland, maar hij was in staat om de robot van de geplande koers te halen om het verdwaalde hout uit de weg te ruimen en een punt te veroveren. Hoe klein en onbeduidend dat ook klinkt, het was een grote prestatie voor ons, zegt hij. Later viel Helios terwijl hij probeerde door drie deuropeningen te lopen en een ladder opging. Maar het team won de volledige reeks punten voor de boor- en kleptaken.
Voor de deelnemende teams was het bevredigend om zelfs enkele van deze vaardigheden te demonstreren. Gill Pratt '83, SM '87, PhD '90, programmamanager bij DARPA's Defense Sciences Office, zegt dat ondanks de moeilijkheden waarmee de teams werden geconfronteerd, de proeven zijn verwachtingen overtroffen. We hadden verwacht dat het beste team ongeveer de helft van de punten zou krijgen, zegt hij. Team Schaft versloeg de concurrentie met 27 van de 32 mogelijke punten. Een team van het Florida Institute for Human and Machine Cognition (IHMC) won de tweede plaats met een Atlas-robot en Carnegie Mellon University werd derde met een robot genaamd CHIMP (voor CMU, een zeer intelligent mobiel platform). MET werd vierde en won 16 punten. Sommige teams met zelfontworpen robots, waaronder een ontworpen door het Johnson Space Center van NASA, slaagden er niet in om een van de taken op tijd af te ronden.
Hoewel een deel van de berichtgeving in de pers over de proeven in Florida zich richtte op hoe slim de robots waren, werd in werkelijkheid elke beweging gechoreografeerd door menselijke operators. Alleen omdat het lichaam lijkt op een mens of een dier, wil nog niet zeggen dat de hersenen van de robot ook maar in de buurt komen van zo goed, zegt Pratt. Hoewel de robots steeds meer in staat zijn om de details van hun bewegingen zelf te plannen en uit te voeren, doen mensen nog steeds het belangrijkste denkwerk.
Maar verschillende teams hadden verschillende manieren om de communicatie tussen mens en machine te beheren. MIT had een bijzonder goed ontworpen mens-machine-interface, zegt Pratt. Het team had met name software gemaakt waarmee operators de robot snel konden helpen belangrijke objecten in zijn omgeving waar te nemen. Als een interface goed is ontworpen, zegt hij, kan de operator meer bereiken met minder werk. Terwijl veel andere teams joystickachtige bedieningselementen gebruikten om de robot te manipuleren, zei Teller, koos het MIT-team voor een meer computationele, minder handmatige benadering. Het idee is om de robot steeds hogere commando's te geven en uiteindelijk machines te ontwikkelen die steeds minder afhankelijk zijn van een hoogopgeleide operator om aan de touwtjes te trekken.
Bij de proeven in Florida slaagt Helios in de kleptaak door naar drie verschillende soorten aan de muur gemonteerde kleppen te lopen en deze te bedienen.
Hoewel de beproevingen intens waren, zegt Teller dat ze verrassend leuk waren; het was de eerste keer dat teams die maandenlang aan hun eigen projecten hadden gewerkt, de kans kregen om elkaar te ontmoeten en hun werk tentoon te stellen. Hoewel ze concurrenten waren, merkten ze dat ze elkaar hielpen en onderdelen uitleenden. En hoewel de MIT-robot werd verslagen door enkele van de anderen, won zijn sterke finish het team nog eens $ 1 miljoen om zijn werk voort te zetten naar de DRC-finale, die waarschijnlijk volgend voorjaar zal plaatsvinden.
Fase drie: klaar voor een laatste confrontatie
Helios is nu terug in zijn huis in Albany Street en het MIT-team heeft eindelijk een langere periode om zijn systeem te verbeteren. Voor de komende finales drijft het team de autonomie van de robot nog verder op. De communicatieverbindingen tussen mensen en robots kunnen dramatischer worden vertraagd en van tijd tot tijd volledig worden verbroken, dus de onderzoekers proberen hun machine autonomie op taakniveau te geven, wat betekent dat het erin zou kunnen slagen om een slang op te pakken of zelf een deur te openen . In een recente demonstratie liet Marion de Atlas een tafel naderen, er vier voorwerpen van oppakken en in een emmer laten vallen, allemaal als reactie op een simpel go-commando.
Pratt zegt dat de finale ook op andere manieren moeilijker zal zijn. Beveiligingskabels die robots overeind hielden als ze hun evenwicht verloren, zijn waarschijnlijk verdwenen; de robots zullen zichzelf moeten oprapen als ze vallen. In plaats van te worden aangesloten op een stroombron, zullen de machines hun eigen vermogensreserves moeten dragen. En ze zullen door een meer continue reeks taken moeten navigeren. Dit vereist dat het MIT-team Helios nog vloeiender maakt in zijn bewegingen en beter in staat is om zijn omgeving waar te nemen.
Tedrake zegt dat met de tijd om meer geavanceerde algoritmen te ontwikkelen, alle teams in de finale bewegingen kunnen demonstreren die sneller en minder stoppend zijn - een beetje minder zoals tai chi. Wat er moet gebeuren om de robots dynamischer, gracieuzer te maken, is dat ze hun eigen fysica beter moeten begrijpen en er sneller over kunnen redeneren, zegt hij. Teller, Tedrake en team zijn al begonnen met het publiceren van artikelen over hun aanpak en ze hebben een deel van hun broncode openbaar gemaakt.
Zelfs met software waarmee robots sneller kunnen bewegen en meer kunnen bereiken, zullen er nog steeds momenten zijn waarop de machines zullen struikelen, een doel missen of naar de finish moeten klauteren. Mensen hebben dit beeld van robots als perfectie, zegt Teller, maar het beeld van die lopende bandmachines die onder streng gecontroleerde omstandigheden werken, is niet hoe deze dingen zullen zijn als ze in de echte wereld worden ingezet. Toch is dat een deel van het plezier van het ontwerpen van robots die de chaos van het leven aankunnen. We zijn hier niet uit op perfectie, zegt hij. We zijn uit op capaciteiten. Kunnen mensen en machines, samenwerkend, de klus klaren?