211service.com
Gör plats för robotar
Att förändra vår miljö på små, enkla sätt kommer att hjälpa robotar att samarbeta mer effektivt (och säkert) med människor.
23 februari 2021
Jack Snelling
AI som leder till färre bilolyckor och mindre trafikstockningar. Personliga förstärkningssystem som hjälper människor att blomstra när de åldras. Robotarbetare som gör akutmottagningar säkrare och effektivare. I deras nya bok, Vad du kan förvänta dig när du väntar robotar , Laura Major, SM ’05, och Julie Shah ’04, SM ’06, PhD ’11, föreställer sig sådana Jetson-liknande fördelar av samarbete mellan människa och robot.
Folk verkar vara oroliga över om robotar en dag kommer att göra oss föråldrade — om de kommer att bli smartare, snabbare, bättre än sina mänskliga skapare. Men verkligheten är att robotar och människor förmodligen alltid kommer att vara bra på olika saker, skriver de. Det är möjligt att några av våra mest envisa samhällsproblem skulle kunna lösas bättre genom den typ av samarbete vi tänker oss.
Major och Shah är väl lämpade för att utforska framtiden för samarbete mellan människa och robot: Major är CTO för Motion, ett samriskföretag för autonom körning av Hyundai och Aptiv, och Shah, en docent i aero-astro, fokuserar på industriell människa-robot samarbete som chef för MIT:s Interactive Robotics Lab. Det här utdraget från deras bok undersöker hur vi kan anpassa miljön på små sätt för att förvandla robotar till effektiva samarbetspartners.
Laura Major, SM ’05
Julie Shah, ’04, SM ’06, PhD ’11
DENNIS KWAN
Det är slutet på dagen på en fredag, och du kom inte till köpcentret för att plocka upp tjänster till ditt barns födelsedagsfest i helgen. Så du loggar in på Amazon för att se vad som är tillgängligt för leverans nästa dag. Förutom förmånerna hittar du glödlampor för att ersätta den utbrända glödlampan i din bordslampa och upptäcker en ny bok som du bestämmer dig för. Du klickar på Placera min beställning, och en kort stund senare susar robotar i Amazons leveranslager iväg för att se till att den levereras till dig i rätt tid.
Lagret är fullt av små, platta robotar som skimrar under hyllorna fulla av allt från mixers till ullrockar till bordssågar. När din beställning står i kö aviseras robotar nära hyllorna med dina produkter. De glider under de nödvändiga hyllorna, lyfter upp dem och glider genom lagret, stannar och startar, rör sig åt vänster och höger, dansar runt alla andra robotar som också rör sig genom lagret. Det är en riktigt vacker syn.
Du kanske blir förvånad över att lära dig att dessa robotar för det mesta är blinda. Utrustade med bara några få sensorer navigerar de i sin värld genom att titta rakt ner på papper som tejpats på golvet av mänskliga arbetare. Lagret är ett stort rutnät, med ett unikt pappersmönster tejpat på golvet på varje rutnät. Robotarna spårar helt enkelt sekvensen av pappersmönster de passerar för att bekräfta deras plats. När en av pappersbitarna slits upp av robotarnas hjul, pausar en person robotarna för att gå in i utrymmet och återtapa papperet till marken. Amazon har 175 uppfyllelsecenter runt om i världen, och dessa robotar zippar för närvarande runt i 26 av dem och arbetar med människor för att fylla dina beställningar.
Det här kan låta som en hackig lösning, utvecklad av en startup för att få ut robotarna genom dörren. Men Amazon, ett av de mest framgångsrika företagen på jorden, väljer fortfarande att tejpa papper på golvet. Varför? Robotar med färre sensorer är billigare – och mindre benägna att misslyckas. Robotar är mycket mer pålitliga om du programmerar dem att följa ett mönster av papper på marken än om du försöker få dem att observera världen omkring dem, upptäcka hinder, planera en väg runt hindren och sedan fortsätta leta efter deras destination . Ibland är det enkelt bäst.
Våra samhällen är för närvarande inte byggda för att hantera behoven hos oberoende robotar, och det är inte klart att vi helt enkelt kan göra robotar som bara behöver det som vår infrastruktur för närvarande erbjuder.
Medan saker som trafikljus, skyltar för hastighetsbegränsningar, orange kottar, påfarter mellan staten och övergångsställen hjälper människor att samordna förare och fotgängares aktiviteter säkert och effektivt, kommer robotar att behöva ännu mer struktur och stöd från omgivningen. Deras sensoriska system tar in massor av data om världen omkring dem, men de är inte lika bra som vi på att härleda mening från det.
Den goda nyheten är att vi kan förändra vår miljö på små, enkla sätt som kommer att göra världen mycket lättare för robotar – och säkrare för oss. Flyget är ett bra exempel.
Att lära av den vänliga himlen
Den genomsnittliga flygplanspassageraren inser förmodligen inte att plan flyger i körfält, efter ett virtuellt spår av brödsmulor designade runt ett nätverk av fasta markfyrar som revolutionerade flygsäkerheten. Dessa navigationshjälpmedel hjälper piloten och flygledarna att spåra planets plats och har använts sedan långt innan GPS fanns. Luftrummet har också delats upp i olika flygnivåer och spår som fungerar som körfält på en motorväg, förutom att dessa filer är mycket breda (och höga) för att klara flygplanens höga hastighet, potentiella fel i platsuppskattningar och andra faktorer, som t.ex. vakna virvlar som skapas av varje plan. Idag är de vertikala körfälten åtskilda från varandra med 1 000 fot. Dessa banor på himlen minimerar möjligheten för flygplan att oväntat korsa varandras vägar och kollidera. De förenklar också förfarandena för att hantera flygtrafiken. Till exempel, om två flygplan är på kollisionskurs, istället för att försöka beräkna exakt när var och en kommer att anlända till kollisionspunkten, eller rekommendera en lätt manöver till en av piloterna för att förhindra kollisionen, ber flygledare vanligtvis en att klättra 1 000 fot — och då kommer de två planen garanterat inte att komma nära varandra, eftersom de är i separata körfält.
Att strukturera luftrummet på detta sätt har haft en enorm inverkan på effektiviteten och säkerheten för flygtransporter, eftersom det erbjuder tydliga regler som reglerar beteendet för varje plan på himlen.
Utöver att överväga hur luftrummet delas på ett säkert sätt, erbjuder flygnavigeringens historia andra lektioner för att lära sig att arbeta effektivt med robotar. Från flygets tidigaste dagar behövde flygplan koordineras noggrant. Till en början använde vi helt enkelt brasor i slutet av landningsbanorna på natten, och piloter letade efter det flammande ljuset för att hitta var de skulle landa. Därefter installerades beacons och flygplan kunde använda radionavigering för att hitta banan även på en molnig dag. Sändare sänder en modulerad signal, som tas emot på flygplanet. Sändarens position beräknas med hjälp av flygtiden mellan mottagna signaler, och denna data används för att bestämma flygplanets position. Ursprungligen beräknades detta för hand; nu är den automatiserad och extremt robust. Andra världskriget gav oss radarövervakning, vilket gjorde det möjligt för flygledare att spåra flygplan utan att förlita sig på sändare, särskilt i överbelastat luftrum som området runt flygplatser.
Men den verkliga revolutionen inom flygtrafiken kom 1956, efter kollisionen mellan två plan över Grand Canyon. Planen opererade i okontrollerat luftrum, där piloter förväntas se och undvika andra flygplan utan extern hjälp. Båda piloterna manövrerade runt spridda stackmoln för att få en bättre överblick över kanjonen, och båda gick in i samma moln, vilket gjorde det omöjligt för dem att se varandra. Alla 128 passagerare dödades.
Denna luftkollision, som ägde rum under det kommersiella flygets framväxt, skapade panik. Luftfartsreglerna på den tiden hade inget bra sätt att skydda flygplan mot sådana konflikter. Lösningen blev att centralisera förvaltningen av luftrummet. Den amerikanska kongressen anslog 250 miljoner dollar för att uppgradera landets luftvägssystem och skapade Federal Aviation Administration (FAA), vilket gav den breda befogenheter att bekämpa luftfartsrisker. FAA beordrade riklig separation mellan flygplan och planerade superskyways för att koppla samman stora städer på öst- och västkusten, och skapa luftrum med separata regler för att underlätta tunga resor över landet.
Kommer vi en dag att behöva en sådan central byrå för att skapa regler, utveckla externt navigationsstöd och reglera andra aspekter av robotdrift och kontroll? Eventuellt. Men åtminstone kommer industrisamarbete för att förhandla fram de delade resurser som dessa robotar kommer att använda – våra vägar, trottoarer, korridorer och gångar – att vara nyckeln.
Arbetar säkert sida vid sida
Fabriker har lärt sig att arbeta med robotar i några år nu. Idag är bilfabrikerna fulla av stora, snabbrörliga robotarmar som endast fungerar i mycket kontrollerade miljöer instängda av burar. Delarna som robotarna hanterar måste placeras exakt – om de är malplacerade med ens några millimeter, stannar hela operationen. Och robotarna kan inte känna av människor i närheten. Om någon skulle gå in i deras utrymme skulle det vara en betydande säkerhetsrisk.
Men sanningen är att relativt lite arbete i de flesta fabriker – även bilfabriker – kan struktureras så noggrant för robotar. En bilkaross kan nästan helt och hållet byggas av robotar, men resten av jobbet – att installera kablar, säten och instrumentpanelselement – görs fortfarande nästan helt av människor. Detta arbete kan inte – och kommer inte – att utföras uteslutande av robotar under överskådlig framtid, eftersom det kräver färdigheter som robotar ännu inte har. Men tillverkningsingenjörer inser att det arbete robotar redan utför, såsom montering, svetsning och förpackning, kan göras bättre och snabbare om robotar befrias från sina burar för att arbeta tillsammans med människor. Istället för att försöka reproducera en mänsklig arbetares uppgifter kan robotar aktivt hjälpa människan – till exempel att lämna över rätt del vid precis rätt tidpunkt – och därigenom drastiskt förbättra linjens produktivitet. Faktum är att våra studier och andra visar att med nära samarbete mellan människor och robotar kan uppgifter utföras mycket mer effektivt – upp till 85 % snabbare – än när människor utför monteringsuppgifter utan robotassistans.
Kommer vi en dag att behöva en central byrå som FAA för att skapa regler, utveckla externt navigeringsstöd och reglera andra aspekter av robotdrift och kontroll? Eventuellt.
Företag angriper därför utmaningen att hantera dessa komplexa maskiner på ett sätt som är säkert för människorna som omger dem. Den smarta roboten som krävs för att övervaka människors framsteg och förutse vad de behöver är långt ifrån den blinda industriroboten i en bur, eller till och med från robotarna i Amazons lager som navigerar med pappersmarkörer. Fabriker idag behöver teknik som möjliggör en mer intim dans av människor och maskiner, ungefär som den moderna komplexa koreografin av flygplan som korsar himlen. Och för att få den här tekniken att fungera behöver vi felsäkra metoder för att säkerställa att robotar inte kan skada sina medarbetare.
Nyligen har forskare skapat nya, dynamiska sätt att markera personligt utrymme för människor och robotar, och detta möjliggör ett nära fysiskt samarbete i tillverkningen utan att äventyra arbetarna. I stället för en statisk avgränsning av robotens och mänskliga utrymmet, är industrimiljön utrustad med nya sensorer som effektivt fungerar som virtuella stängsel.
Om en person rör sig nära en robot och korsar det virtuella stängslet, slutar roboten omedelbart att röra sig. I mer avancerade miljöer används sensorer för att skapa dynamiska säkerhetszoner, där avståndet mellan personen och roboten aktivt övervakas. När personen närmar sig roboten saktar roboten ner, vilket ger personen tid att reagera innan roboten stannar helt.
Precis som flygplan har olika regler för separation i luften, måste industrirobotar följa så kallade hastighets- och separationsövervakningsstandarder, och upprätthålla specificerade avstånd från människor baserat på deras hastighet. Ju snabbare roboten rör sig, desto längre bort måste den hålla sig från människor, och när en person närmar sig roboten måste den sakta ner och stanna. Ett av de första systemen av det här slaget installerades i en BMW-fabrik i München 2017. En mänsklig medarbetare arbetade under en höga orange industrirobot, två till tre gånger hans höjd, när de säkert förhandlade fram delad fabriksyta för att bygga bilar.
Dessa enkla växlar, från fysiska burar till virtuella stängsel och från statisk avgränsning av säkert utrymme till dynamisk justering av säkra zoner, gör det lättare för människor och robotar att samarbeta kring tillverkningsuppgifter, utföra dem mer effektivt eller till en högre standard än antingen mänskliga eller robot skulle kunna arbeta ensam.
Vägreglerna för att arbeta med robotar behöver inte vara statiska. De kan anpassa sig över tid när robotar blir mer kapabla och vi blir vana vid dem. När robotar utvecklas kan vi släppa dem från deras fasta körfält. Genom mer dynamisk förhandling av delade resurser kan vi ta några stora steg mot att integrera robotar i mänskliga miljöer.
Anpassad från Vad du kan förvänta dig när du förväntar dig robotar: The Future of Human-Robot Collaboration, av Laura Major och Julie Shah. upphovsrätt 2020. Tillgänglig från Grundläggande böcker , ett avtryck av Hachette Book Group.