Förbereder robotar för den verkliga världen

I ett blekt gult lager på Albany Street slår Atlas-roboten på. Denna enorma humanoida maskin, som är 6 fot två tum lång och väger 330 pounds, avfyrar med ett kraftfullt, högt brum från en pump som trycksätter vätska för sina hydrauliska leder. Den är upphängd precis ovanför marken av ett tjuder och börjar röra sina fötter och armar, en del av en rutin för att kalibrera ställdonen i dess 28 leder.

Helios, MIT:s Atlas-robot, är en utmanare i DARPA Robotics Challenge.

Det här är ungefär som morgonsträckan, säger Scott Kuindersma, postdoc vid MIT:s datavetenskap och artificiell intelligens Laboratory (CSAIL).

När roboten sänks ner på golvet sitter Pat Marion, en samarbetande forskare som kommer att börja arbeta på sin doktorsexamen i elektroteknik och datavetenskap (EECS) i höst, framför en uppsättning datorskärmar placerade flera meter bort och tittar på världen genom robotens ögon – eller snarare kameror och lidarer fästa vid dess huvud och bröst. En skärm skarvar ihop en lågupplöst fisheye-vy av rummet med en smal, detaljerad bild från en stereokamera. På en annan skärm finns en svart-vit rendering av rummet skapad av en lasersensor. Med ett par klick ger Marion roboten ett gående mål, vilket indikerar en plats på skärmen före dess virtuella bild; systemet svarar med en föreslagen uppsättning virtuella fotsteg på skärmen. Roboten flyttar långsamt sina fötter och flyttar sin vikt från sida till sida för varje steg när dess hydraulpump gnäller. Efter att den når ett omkullvält metallställ, befaller Marion den att plocka upp en träskiva som lutar mot ställningen. Med en kloliknande handfäste tar roboten försiktigt tag i brädan, lyfter upp den och svänger armen åt höger, vilket låter träet smattra till marken. En uppgift utförd för dagen.

Roboten har programmerats av ett team av studenter, postdoktorer och fakultetsmedlemmar ledda av EECS-professorn Seth Teller och Russ Tedrake, PhD '04, en docent med dubbla utnämningar inom EECS och flyg- och astronautik. Teamet representerar MIT i US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Robotics Challenge, en flerårig turnering utformad för att påskynda utvecklingen av robotar som kan hjälpa människor i verkliga katastrofhjälpsinsatser och nödsituationer – robotar som kunde ha försvunnit till kärnkraftverket i Fukushima efter dess trefaldiga härdsmälta, till exempel, så att mänskliga arbetare inte skulle utsättas för skadlig strålning. Tävlingen erbjöd två spår till teamen från akademi, industri och myndigheter: några byggde sina egna robotar, medan andra team, inklusive MIT:s, fokuserade på att utveckla mjukvara för att styra Atlas-roboten, designad och byggd av MIT spinoff-företaget Boston Dynamics. (Baserat i Waltham, Massachusetts, grundades Boston Dynamics av ​​Marc Raibert, PhD '77, en före detta EECS-professor och medlem av MIT:s AI Lab. Google köpte företaget för ett ej avslöjat belopp förra året.)

DARPA Robotics Challenge (DRC) har tre steg. I den första använde mjukvaruteamen sina program för att guida en simulerad Atlas genom flera uppgifter i en Virtual Robotics Challenge som hölls i juni 2013. Vid DRC Trials i december 2013 samlades team på en kapplöpningsbana i Florida för att testa förmågan hos riktiga robotar —och att förtjäna rätten att tävla om ett pris på $2 miljoner i tävlingens tredje etapp, DRC-finalerna 2015.

En oemotståndlig utmaning
Vid första anblicken verkar robotarnas uppgifter för försöken förvånansvärt enkla: öppna dörrar, klättra på en stege, manipulera en slang och manövrera ventiler, bland annat. En mänsklig första responder kunde göra vilken som helst av dessa saker på några sekunder, och den kraftfulla Atlas var verkligen fysiskt kapabel att utföra dem. Men det är en enorm utmaning att designa och programmera en robot som kan navigera och manipulera objekt på en katastrofplats, där förhållandena är röriga och kommunikationen fläckig. Även om fabriksrobotar rutinmässigt utför komplexa uppgifter, är de programmerade att göra en sak bra i en miljö som uttryckligen utformats för det.

Den verkliga världen är en oförlåtlig plats, säger Teller. Det är omöjligt att förutse de förhållanden som robotar kommer att möta, så de måste bli mycket mer lyhörda och anpassningsbara. Det är inte så att du konstruerar världen för att hjälpa roboten, säger han. Du konstruerar roboten för att gå ut i världen för att göra det arbete som behöver göras.

Maurice Fallon, Seth Teller (i hatten) och Pat Marion granskar bilder från Helios sensordata vid testerna i Florida och överväger hur man ska gå vidare under slanguppgiften.

Teller och Tedrake bestämde sig för att bilda ett DRC-lag i början av 2012, eftersom prat om tävlingen spred sig genom robotsamhället. Deras kompetens kompletterar varandra. Teller, som leder gruppen Robotics, Vision, and Sensor Networks i CSAIL, fokuserar på att hjälpa maskiner att känna av sina miljöer och interagera med människor; Tedrake, som leder CSAILs Robot Locomotion-grupp, fokuserar på kontroll av rörelser, särskilt gång.

Det rådde ingen brist på forskare – och studenter – som var ivriga att hjälpa. DRC-ansträngningen har all spänningen hos ett typiskt forskningsprojekt, tillsammans med den extra intensiteten av hårda deadlines och hög synlighet internationell konkurrens om konkreta uppgifter, säger Teller. Med strikta datum för tävlingar finns det ingen tid att nå perfektion och lite spelrum om något inte fungerar som det ska. Teller och Tedrake rekryterade forskaren Maurice Fallon för att leda arbetet med robotens uppfattning och Kuindersma för att ansvara för planering och kontroll. Teller avlyssnade också Matthew Antone '95, MEng '96, PhD '01, som hade arbetat med honom i MIT:s 2006–'07 DARPA Urban Challenge-team som utvecklade självkörande fordon, medan postdoc Sisir Karumanchi gav tidigt stöd för att utveckla programvara för att manipulera objekt . De och andra från runt MIT försökte svara på DARPA med ett formellt förslag i slutet av maj. (Marion, en skicklig mjukvaruingenjör, skulle ansluta sig till teamet senare för att leda utvecklingen av operatör-robotgränssnittet.) Sammanlagt består teamet av 12 studenter och 12 lärare, postdoktorer och personal från CSAIL; avdelningarna EECS, Mechanical Engineering och Aero-Astro; och Center for Ocean Engineering.

När Demokratiska republiken Kongo officiellt började i oktober 2012 med ankomsten av $375 000 i initial DARPA-finansiering och ett kickoffmöte på byrån, hade MIT-teamet redan tillbringat sex månader med att samla in pengar, göra preliminära design- och implementeringsstudier och undersöka lämpliga labbutrymmen runt campus.

Målet med tävlingen är inte att få robotar att tänka och agera själva. Men Teller säger att från början fokuserade MIT-teamets strategi på att flytta många av lågnivåbesluten till roboten. Även om DARPA skulle tillhandahålla explicit information om konfigurationen av varje uppgift, säger Teller, valde de att inte programmera roboten att göra var och en och att inte ha en mänsklig barnvakt för varje rörelse.

Istället ville de ha en fram och tillbaka mellan människa och robot. Operatören skulle bedöma sensorisk information från roboten och bestämma vad han skulle göra. Robotens programvara skulle sedan utveckla en rörelseplan för att utföra uppgiften, som människan skulle kunna godkänna eller justera. Varje beslut skulle fattas i farten.

Eftersom den verkliga världen är oförutsägbar, kan du inte bara ha en färdig plan och förvänta dig att den ska lyckas, säger Teller. Han och hans lagkamrater var övertygade om att deras flexibla system i slutändan skulle vara mest effektivt och minska den mänskliga hjärnkraften som krävs för varje steg. Men de hade mycket att göra.

Steg ett: Är din programvara Atlas-värdig?
Under veckorna fram till Virtual Robotics Challenge (VRC) slog teammedlemmarna ut i CSAIL-labbet i Stata Center dygnet runt och livnärde sig på ett roterande urval av Pop-Tarts, frukt och takeout när de försökte förutse problem som kan komma upp i simuleringen och utveckla lösningar. Den 18, 19 och 20 juni deltog mer än två dussin team i VRC-simuleringar i sina egna labb. På CSAIL satte sig operatörerna för varje uppgift i ett sidokontor och fokuserade intensivt på en rendering av den virtuella roboten när de satte sin mjukvara i dess takt; andra teammedlemmar såg deras framsteg på en videolänk utanför.

Helios gör mål i steguppgiften.

Lagets förberedelser gav resultat. För det mesta fungerade robotens rörelser att ha programvaruplaneringen. Men för gott skull skrevs några rörelser in i programvaran för att hjälpa den virtuella roboten att ta sig ur svåra situationer. Doktorand Andrés Valenzuela, SM ’11, kom på hur man till exempel fick den att krypa, vilket visade sig vara användbart; den föll under tävlingen och kröp i mål precis när tiden gick ut.

När DARPA tillkännagav resultaten av de virtuella försöken slutade MIT trea av 26 lag. Forskarna hade klarat det första stora hindret och vunnit ytterligare $750 000 i finansiering och en kajplats vid DRC-proven i december. Nu var de bara tvungna att överföra sin virtuella framgång till en 330-pundsmaskin.

Lär känna roboten
Med mjukvarutesterna bakom sig planerade medlemmar i MIT-teamet sina sommarsemester runt den efterlängtade augustiavtäckningen av deras hårt vunna Atlas. Ett team från Boston Dynamics anlände till Albany Street-lagret (utrymme lånat från Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, eftersom maskineriet är för bullrigt för CSAIL-labben och för rörigt – det skulle droppa hydraulvätska på mattorna ). De packade försiktigt upp roboten, som de hade döpt till Helios, och hissade upp den från en stor fraktlåda av trä.

För alla teammedlemmar var detta en fantastisk chans att se algoritmerna de utvecklar förkroppsligade i en av de mest avancerade humanoida robotarna som någonsin skapats. Faktum är att den möjligheten var en stor dragning för Tedrake själv. Jag ville leka med den här roboten, säger han. Med ett laboratorium fokuserat på att designa kontrollsystem snarare än att bygga dyr hårdvara, tillägger han, skulle han aldrig bygga något så vackert som den här roboten.

Men tiden var knapp: det var bara fyra månader att förbereda sig för DRC-prövningarna i Florida, som skulle äga rum i slutet av december. Teamet skulle behöva placera sig bland de åtta bästa i dessa försök för att få 1 miljon dollar i finansiering från DARPA för att fortsätta arbetet och tävla om priset på 2 miljoner dollar i DRC-finalerna.

Mycket av programvaran som forskarna hade utvecklat för simulatorn överfördes sömlöst till roboten, även om dess lågnivåmotorstyrsystem krävde justeringar. Men även om de kunde få sin simulerade robot att krypa ur en dålig situation, behövde den känsliga och dyra Atlas säkerhetstjuder för att hålla den från att falla. Ibland skjuter roboten trycksatt hydraulvätska genom luften, så teammedlemmar bar skyddsglasögon och stod bakom plexiglas. Och det var otroligt högt: Tedrake köpte brusreducerande hörlurar för människor som behövde en paus.

En gruppmedlem utsågs till den primära operatören av roboten för varje uppgift den skulle behöva utföra i Florida, medan en annan var till hands för att hjälpa roboten att uppfatta sin miljö. Med tanke på den visuella informationen från robotens kameror och sensorer, kan perception wingman hjälpa den att identifiera ett objekt av intresse - en borr, till exempel, eller ett dörrhandtag. Roboten kunde då komma åt förprogrammerad information om hur borrar och dörrhandtag såg ut och hur man greppar och manipulerar dem.

När försöken var ett par veckor bort var programvaran på plats och teamet fokuserade på praktiserande . Med många studenter som jonglerade med finalerna samlades medlemmarna i det täppta lagret vid sjutiden varje morgon och tog sig tid när de körde roboten igenom varje uppgift och hoppades att det de åstadkom i labbet skulle överföras till en utomhusmiljö. Efter en kort rally på Albany Streets trottoar en morgon under fryspunkten – robotens första operation utomhus – packade de försiktigt in Helios och deras utrustning i en lastbil och skickade den till Florida.

Steg två: Robotar på RaceTrack
Publiken som samlades på Homestead-Miami Speedway den 20 och 21 december var avgjort nördigare än NASCAR-fansen som vanligtvis fyllde platserna. Men förväntan var lika stor som åskådarna väntade på att få se världens bästa robotiker och deras maskiner försvinna. Vart och ett av de 16 teamen (några finansierade av DARPA och några finansierade av sig själv) hade en kontrollstation inrättad i pit lanes, där medlemmarna fjärrstyrde sin robot när den tävlade om poäng i åtta olika uppgifter: köra ett fordon, gå över ojämnt terräng, klättra på en stege, rensa skräp, öppna en serie dörrar, skära en form i en vägg med en sladdlös borrmaskin, vrida på en ventil och manipulera en slang. Inom dessa uppgifter kan ett team få en poäng för var och en av tre deluppgifter och en bonuspoäng för att göra alla tre utan inblandning. För att simulera ett katastrofscenario bromsades kommunikationen mellan teamen och deras robotar periodvis ner till en signal med låg bandbredd.

Även om teamen hade fått tydliga beskrivningar av uppgifterna i förväg så att de kunde öva, visade försöken hur svårt saker och ting blir när förhållandena inte är perfekt kontrollerade. Utomhusmiljön introducerade nya variabler: starkt solljus, starka vindar och överraskande varma temperaturer för december, vilket gör att bärbara datorer överhettas.

Helio är säkrad i en ATV för fordonsuppgiften av Maurice Fallon (vänster) och Scott Kuindersma.

Team Schaft, som representerar ett spinoffföretag från University of Tokyo som också förvärvades av Google strax före evenemanget, var den klara vinnaren: roboten som det designade seglade igenom uppgifter med mjuka rörelser. För det mesta var dock försöken en viktig verklighetskontroll för alla som är vana vid att se humanoida robotar ladda över filmdukar. Även om evenemanget ägde rum på en racerbana byggd för fart, såg det mer ut som en tävling i extremt långsam tai chi. Maskinerna klev försiktigt över skräp, kämpade för att öppna dörrar och klättrade på stegar med plågsamt medvetet.

Vissa saker gick helt enkelt inte som planerat. I sin första rättegång vägledde Fallon och Marion Helios genom en uppgift som innebar att ta bort 10 träbitar för att rensa en väg till en dörröppning (de skulle få en poäng för de första fem bitarna och en för de andra fem). Fallon hade precis fått roboten att rensa bort den femte brädan när veden studsade och föll tillbaka framför den. Tiden var för kort för att slutföra uppgiften som planerat, men han kunde ta roboten från den planerade banan för att få bort den herrelösa veden och fånga en punkt. Hur litet och obetydligt det än låter så var det en stor bedrift för oss, säger han. Senare föll Helios när han försökte gå genom tre dörröppningar och när han gick upp för en stege. Men laget vann hela uppsättningen poäng för borr- och ventiluppgifterna.

För de tävlande lagen var det glädjande att visa till och med några av dessa färdigheter. Gill Pratt ’83, SM ’87, PhD ’90, programchef på DARPAs försvarsvetenskapskontor, säger att trots svårigheterna som teamen stod inför överträffade försöken hans förväntningar. Vi förväntade oss att det kanske bästa laget skulle få ungefär hälften av poängen, säger han. Team Schaft svepte tävlingen med 27 av 32 möjliga poäng. Ett team från Florida Institute for Human and Machine Cognition (IHMC) vann andraplatsen med en Atlas-robot, och Carnegie Mellon University kom på tredje plats med en robot som heter CHIMP (för CMU:s högintelligenta mobilplattform). MED kom fyra och vann 16 poäng. Några av teamen med egendesignade robotar, inklusive en designad av NASAs Johnson Space Center, lyckades inte slutföra någon av uppgifterna i tid.

Även om en del av pressbevakningen av rättegångarna i Florida fokuserade på hur smarta robotarna var, koreograferades i verkligheten varje rörelse av mänskliga operatörer. Bara för att kroppen ser ut som en människa eller ett djur betyder det inte att robotens hjärna är i närheten av lika bra, säger Pratt. Även om robotarna i allt högre grad kan planera och utföra detaljerna i sina rörelser på egen hand, gör människor fortfarande det stora tänkandet.

Men olika team hade olika sätt att hantera kommunikationen mellan människa och maskin. MIT hade ett särskilt väldesignat gränssnitt mellan människa och maskin, säger Pratt. I synnerhet hade teamet skapat mjukvara som gjorde det möjligt för operatörer att snabbt hjälpa roboten att uppfatta viktiga föremål i sin miljö. När ett gränssnitt är väldesignat, säger han, kan operatören åstadkomma mer med mindre arbete. Medan många andra team använde joystickliknande kontroller för att manipulera roboten, säger Teller, tog MIT-teamet ett mer beräkningsmässigt, mindre manuellt tillvägagångssätt. Tanken är att ge roboten kommandon på allt högre nivå och så småningom utveckla maskiner som förlitar sig allt mindre på att en mycket skicklig operatör drar i trådarna.

Vid testerna i Florida klarar Helios ventiluppgiften, går till och använder tre olika typer av väggmonterade ventiler.

Även om prövningarna var intensiva, säger Teller att de var förvånansvärt roliga; det var första gången team som hade arbetat i månader med sina egna projekt fick en chans att träffas och visa upp sitt arbete. Även om de var konkurrenter, kom de på att de hjälpte varandra och lånade ut delar fram och tillbaka. Och även om MIT-roboten överträffades av några av de andra, vann dess starka finish laget ytterligare 1 miljon dollar för att fortsätta sitt arbete mot DRC-finalen, som förmodligen kommer att äga rum nästa vår.

Steg tre: Förberedelse för en sista showdown
Helios är nu tillbaka i sitt hem på Albany Street, och MIT-teamet har äntligen en längre tid på sig att förbättra sitt system. För de kommande finalerna driver laget robotens autonomi ytterligare. Kommunikationslänkarna mellan människor och robotar kan bromsas mer dramatiskt och skäras helt då och då, så forskarna försöker ge sin maskin autonomi på uppgiftsnivå, vilket innebär att den kan klara av att plocka upp en slang eller öppna en dörr på egen hand . I en nyligen genomförd demonstration fick Marion Atlas att närma sig ett bord, plocka upp fyra föremål från det och släppa dem i en hink, allt som svar på ett enkelt gå-kommando.

Pratt säger att finalen kommer att bli svårare på andra sätt också. Säkerhetstjuder som höll robotar upprätt om de tappade balansen kommer sannolikt att vara borta; robotarna måste ta sig upp om de faller. Istället för att anslutas till en strömkälla måste maskinerna bära sina egna kraftreserver. Och de kommer att behöva navigera i en mer kontinuerlig uppsättning uppgifter. Detta kommer att kräva att MIT-teamet gör Helios ännu mer flytande i sina rörelser och bättre kan uppfatta sin omgivning.

Tedrake säger att med tiden för att utveckla mer sofistikerade algoritmer kommer alla lag att kunna demonstrera rörelser i finalerna som är snabbare och mindre stoppande – lite mindre som tai chi. Det som måste hända för att robotarna ska bli mer dynamiska, mer graciösa, är att de måste förstå sin egen fysik bättre och kunna resonera om det snabbare, säger han. Teller, Tedrake och team har redan börjat publicera tidningar om deras tillvägagångssätt, och de har gjort en del av sin källkod tillgänglig för allmänheten.

Även med programvara som gör att robotar kan röra sig snabbare och åstadkomma mer, kommer det fortfarande att finnas tillfällen då maskinerna snubblar, missar ett mål eller måste ta sig till mållinjen. Människor har den här bilden av robotar som perfektion, säger Teller, men bilden av de löpande bandmaskinerna som arbetar under styvt kontrollerade förhållanden är inte som de här sakerna kommer att vara när de används ute i den verkliga världen. Ändå är det en del av det roliga med att designa robotar som kan hantera livets stök. Vi är inte ute efter perfektion här, säger han. Vi är ute efter förmåga. Kan människor och maskiner, som arbetar tillsammans, få jobbet gjort?

Dölj