Роботы известны тем, что очень хороши в некоторых очень специфических вещах. Их часто определяют такими словами, как «точность», «повторяемость» и «скорость», потому что, если вы хотите, чтобы робот был уникально полезным, он обычно должен использовать одну или несколько из этих характеристик таким образом, чтобы лучше справляется с какой-то конкретной задачей, чем люди. Роботы делают это десятилетиями, обычно в таких местах, как промышленные установки, но ситуация начинает меняться, и робототехники начинают обращать внимание на другие приложения в более неограниченных, динамичных средах, например, в непромышленных условиях.

Такие среды (например, наши дома) - это те места, в которых мы действительно, очень хотим, чтобы роботы были полезны. Мы хотим, чтобы они выполняли нашу работу так, чтобы нам не приходилось делать это, в идеале, не причиняя катастрофических повреждений или травм. в то же время. И таким задачам нужен совершенно другой набор возможностей - чтобы делать то, что люди делают в местах, где есть люди, «скорость» и «повторяемость» и все, что гораздо менее важно, чем соблюдение требований и способность максимально использовать умное, адаптируемое программное обеспечение. Результатом всего этого является то, что достижения в области искусственного интеллекта За последние несколько лет исследователи разработали программное обеспечение для (и на) роботов, которое чрезмерно спроектировано для многих задач, которые мы хотим, чтобы они выполняли, дороже, чем они должны быть, и, вероятно, не так безопасно, как мы хочу.

Группа робототехников из Калифорнийского университета в Беркли во главе с Питером Аббелем определила эту проблему три года назад и начала разработку новой руки-робота, специально разработанной для использования (и доступности) для людей, исследующих прикладные манипуляции в среде человека. Blue - это рука с 7 степенями свободы человеческого масштаба, которая будет стоить менее 5000 долларов США (при массовом производстве), и есть надежда, что она достаточно способна и достаточно доступна, чтобы значительно ускорить исследования полезных домашних роботов.

Это видео дает краткий обзор того, для чего предназначен Blue; Обратите внимание, что видео ускоряется и что робот дистанционно управляется человеком с помощью гарнитуры HTC Vive VR и портативных контроллеров.

 

Некоторые характеристики Blue:

Степени свободы: 7
Масса: 8,7 кг
Вылет (полное выдвижение): 0,7 м
Непрерывная полезная нагрузка: 2 кг
Пиковая скорость: 2,1 м / с
Повторяемость: 3,7 мм
Ширина полосы пропускания: 7,5 Гц
Потребляемая мощность: 100 Вт
Внутренний вид одиночного редукторного дифференциального модуля с двумя степенями свободы манипулятора UC Berkeley Blue
Изображение: Калифорнийский университет в Беркли
Каждое звено робота оснащено дифференциальным модулем с редуктором с 2 степенями свободы, объединяющим две плоские зубчатые ременные передачи QDD для выходного шага и качения.
В более общем смысле, Blue (относится к одному единственному рычагу) построен на основе квазинепосредственного привода, или QDD, приводов, которые обеспечивают надежное управление усилием, выбираемый импеданс и имеют высокую управляемость. Бесщеточные двигатели, разработанные для дронов, приводят в действие одноступенчатый редуктор 7,125: 1 (зубчатый ремень), соединенный с дифференциалом (шестерни с большими пластиковыми зубьями под предварительной нагрузкой). Каждая пользовательская плата драйвера двигателя оснащена 14-битным абсолютным магнитным энкодером для коммутации двигателя и определения положения робота; 12-битное определение тока для управления током (и, следовательно, крутящим моментом) в замкнутом контуре каждого серводвигателя; 3-осевой акселерометр для оценки состояния, обнаружения столкновений и калибровки; и датчики температуры для теплового контроля. Приводы QDD делают Blue как в целом безопасным для людей, так и устойчивым к повреждениям. Расположение руки похоже на человеческую руку, с тремя плечевыми суставами, одним локтевым суставом и тремя лучезапястными суставами. В комплект входит простой захват с параллельными губками.

С самого начала Blue был разработан как «полезный робот-манипулятор», который исследователи Калифорнийского университета в Беркли любезно определили в статье, которая будет представлена ​​на ICRA в следующем месяце:

Мы определяем парадигму дизайна, которая позволяет использовать полезные, недорогие роботизированные манипуляторы, способные выполнять задачи в неограниченной среде.

a) Мы определяем полезные метрики, аналогичные человеческим: рост человека, 7 степеней свободы, полезная нагрузка 2 кг, безопасность, соответствие требованиям и повторяемость менее 10 мм.

б) Мы определяем низкую стоимость как: цена ниже 5000 долларов для конечного пользователя при производстве более 1500 единиц оружия.

c) Частичный набор задач, которые следует рассмотреть, включает: разгрузку посудомоечной машины, наполнение холодильника, расчистку пола, открытие дверей, открытие микроволновых печей, сортировку пакетов, восстановление после физического инсульта, складывание белья, мытье окон, заправку кроватей и уборку ванной комнаты Мы демонстрируем робота для уборки кухни, уборки столов, телеприсутствия и ухода за машинами.

Создание руки, которая будет полезна в контексте человеческих задач, является ключевым отличием для Blue, потому что это то, что позволяет ей быть одновременно функциональной и доступной. Выполнение задач, описанных выше, не требует субмиллиметровой точности, высокой скорости, высокой прочности или чего-то подобного. Синий просто должен уметь поднимать вещи, такие как одежду и посуду, и снова ставить их в нужном месте с помощью визуальных, тактильных или других датчиков, так же, как это делают люди, и примерно с той же скоростью.

«ИИ развивается очень быстро, и существующие роботы становятся в некотором смысле умнее с точки зрения программного обеспечения, но оборудование не меняется. Все используют то же оборудование, что и многие годы. . . Мы подумали, что должна быть возможность придумать новый дизайн, который лучше подходит для эпохи искусственного интеллекта ».
—Питер Аббил, Калифорнийский университет в Беркли
Такое мышление привело, например, к созданию непрерывной полезной нагрузки Blue в 2 кг. На самом деле Blue может поднимать вдвое больше в течение коротких периодов времени, но его двигатели перегреются, и ему потребуется перерыв, в основном так и работают люди. Не уверен, что все это вообще стоит называть компромиссом. Скорее, Blue был разработан, чтобы соответствовать очень специфическому набору критериев, которые, как надеются исследователи Калифорнийского университета в Беркли, сделают его идеальным для многих людей, работающих над решением реальных задач робототехники.

Конечно, этот ценник в 5000 долларов будет серьезным преимуществом, и даже исследователи, которым может понравиться немного больше точности или полезной нагрузки, вероятно, придадут Blue серьезный вид просто из-за его доступности. Действительно, если сравнить Blue с другими манипуляторами с силовым управлением, которые могут поднимать полезные для человека полезные нагрузки, Blue выглядит очень благоприятно. Бакстер стоит в пять раз дороже, хотя и с двумя руками. Franka Emika составляет $ 30k. KUKA в LBR почти $ 70k. Барретт WAM рука что - то вроде $ 135K, и мы не можем забывать , теперь уже десятилетней давности PR2, который (хотя по-прежнему довольно хорош), вы не можете больше покупать или обслуживать, и стоил 400 тысяч долларов, когда можно было. Очевидно, что все эти более дорогие руки способны делать то, что Блю не может делать, но вопрос в следующем: для исследований в области робототехники сейчас полезны ли эти возможности в той степени, в которой они стоят (скажем) за одно? Рука Франки Эмики, когда вместо шести синих рук можно было купить ? Робототехники Калифорнийского университета в Беркли делают ставку на то, что для многих робототехников получение шести синих рук для своих лабораторий станет очевидным выбором.

Дэвид Гили на заднем плане дистанционно управляет СИНИМ, чтобы приготовить кофе
Фото: Филлип Дауни
Дэвид Гили на заднем плане использует гарнитуру виртуальной реальности и портативные контроллеры, чтобы дистанционно управлять Блю и использовать кофеварку.
Больше оружия привлекает по самым разным причинам. Один робот на ученика в классе или один робот на научного сотрудника в лаборатории будет намного эффективнее (и увлекательнее!), Чем пытаться планировать свое «время робота». Как мы видели у таких людей, как Google , используя целую кучу рук- это один из способов ускорить исследования в области робототехники, особенно когда речь идет об обучении без учителя. Это также полезно для масштабирования обучения путем демонстрации, поскольку кинематический дизайн Blue является антропоморфным, что означает, что его руки двигаются так же, как и ваши. Идея состоит в том, что людям будет легко (иш) дистанционно управлять Blue для удаленного выполнения домашних задач, в то время как ваш алгоритм AI постепенно выясняет, как выполнять аналогичные задачи самостоятельно. В долгосрочной перспективе это даже может привести к коммерческим приложениям.

Несколько версий прототипа оружия Blue уже используются в Калифорнийском университете в Беркли, и было продано как минимум семь альфа-единиц, которые помогут запустить 50 или около того бета-единиц, которые будут произведены в следующий раз. Как только они будут проданы, последнее поколение сможет достичь этой ценовой отметки в 5 тысяч долларов. Нам сказали, что бета-версии должны быть готовы в мае, а финальная («потребительская») версия выйдет в конце 2019 или начале 2020 года.

Создатели Blue, Питер Аббил, Дэвид Гили и Стивен МакКинли
Фото: Филлип Дауни
Создатели Blue: Питер Аббил, Дэвид Гили и Стивен МакКинли.
Для получения более подробной информации мы поговорили с робототехниками Калифорнийского университета в Беркли, стоящими за разработкой Blue: аспирантом  Дэвидом Гили , докторантом  Стивеном МакКинли и профессором  Питером Аббелем , который является директором лаборатории обучения роботов Беркли и соучредителем и главным научным сотрудником ИИ. стартап Covariant .

IEEE Spectrum: Что заставило вас три года назад понять, что вам следует начать разработку такого робота, как Blue?

Питер Аббил: Три года назад мы пришли к выводу, что ИИ развивается очень быстро, и существующие роботы становятся в некотором роде умнее с точки зрения программного обеспечения, но оборудование не меняется. Все используют одно и то же оборудование, которое они использовали в течение многих лет, и оно не было разработано с учетом ИИ - оно было разработано с учетом повторяющихся движений. Итак, мы подумали, что должна быть возможность придумать новый дизайн, который лучше подходит для эпохи искусственного интеллекта.

Цена роботов, которые мы использовали в лаборатории, также была большой частью этого. PR2 - красивый робот. Ему десять лет, он все еще работает. Но это очень дорого, и если его сломать, то другого не достать. Ты сам по себе. И это не способ заставить каждого потребителя-аспиранта иметь своего собственного робота, это не способ заставить потребителей покупать роботов. Вам нужно найти способ снизить стоимость, не отказываясь при этом от важных вещей.

Была надежда, и три года спустя, похоже, надежда оправдалась, что мы сможем разработать робота, который будет намного дешевле и безопаснее для людей, чем предыдущие типы роботов. И отсюда есть надежда, что эти роботы попадут в руки людей. Люди смогут создавать вещи, о которых мы даже не можем сейчас думать, и это часть ажиотажа.

Как PR2 повлиял на ваш подход к дизайну с Blue?

Дэвид Гили: Когда мы начали этот проект, мы смогли сделать шаг назад и посмотреть на все достижения, которые произошли в области робототехники, чтобы выяснить, где мы могли бы пойти в дизайне, чтобы обеспечить ту же функциональность, что и PR2. , но с совершенно новой точки зрения. Человеческий масштаб действительно важен для работы в среде человека. Естественная податливость робота, которая позволяет ему работать в неструктурированной среде. И человеческая конфигурация суставов руки, которая позволяет ей вести себя так, как человеческая рука. Когда вы пытаетесь обучить робота посредством демонстрации, будет проще, если вы предположите, что робот будет вести себя так же, как ваше собственное тело.

Стивен МакКинли: Кроме того, PR2 невероятно долговечен. Мы боролись за это уже 10 лет, и он все еще остается сильным. Это действительно важная функция, потому что, если она совместима и долговечна, исследователи могут бесполезно использовать ее снова и снова, тогда как если вы сделаете это с промышленным манипулятором, вы наверняка что-то сломаете.

 

Ваши демонстрационные видеоролики показывают, что Блю выполняет те домашние дела, которые сейчас очень сложно выполнять роботам - зачем выбирать эти задания, чтобы представить Блю?

Дэвид Гили: Я думаю, что мы действительно пытаемся обрисовать в общих чертах возможности робота на самом высоком уровне, что восходит к нашему тезису о том, что все, что телеоперабельно, будущий ИИ сможет сделать. Вот почему мы выбрали эти действительно сложные проблемы - проблемы, с которыми другие роботы не могли справиться так хорошо и плавно. Так что это определенно было сделано специально, чтобы продемонстрировать возможности оборудования.

Питер Аббель: Мы хотим обратиться к воображению людей. Домашние роботы были мечтой долгое время, поэтому мы берем много примеров задач из этой области. Робот создан для того, чтобы находиться рядом с людьми; неотъемлемая податливость делает его идеальным. Итак, мы хотим внедрить эту концепцию.

Вы чувствуете себя комфортно, называя этого робота безопасным по своей сути?

Стивен МакКинли: Робот способен отображать различные жесткости. То, что мы создали, - это робот, который по своей сути совместим, но также может становиться более жестким. Это похоже на то, что может делать человек: ваша рука может быть очень гибкой и податливой, но вы также можете напрячь мышцы и стать очень жесткими. Таким образом, если робот потеряет контроль, он снова станет мягким и податливым, в отличие от множества других коботов , которые берут изначально жесткий элемент оборудования и устанавливают на него больше датчиков, чтобы он мог смягчить его взаимодействие с окружающей средой.

Под дистанционным управлением двуручная версия синего робота складывает красное полотенце.
Фото: Филлип Дауни
Под дистанционным управлением Блю складывает красное полотенце.
Похоже, что все больше и больше исследований проводится в области моделирования , особенно в отношении стратегий преобразования навыков, полученных в ходе моделирования, в навыки реального мира. Как в это вписывается Синий?

Стивен МакКинли: Мы определенно учли это, когда проектировали робота. В частности, это проявляется в концевом эффекторе, который представляет собой довольно простой захват с параллельными губками. И мы решили сделать это простым, чтобы его было легче моделировать и моделировать. Но каждый раз, когда вы пытаетесь изучить что-то в симуляции и применить это к реальному миру, всегда будут различия, поэтому использование физического робота по-прежнему имеет преимущества.

Питер Аббель: Для всех, кто проводит исследования Sim2Real , доказательством остается запуск его на реальном роботе и демонстрация того, что он передается. И там много итераций. Это не значит, что вы тренируетесь в симуляторе, вы тестируете на реальном роботе, и все готово. Это больше похоже на то, что вы тренируетесь в симуляторе, тестируете на реальном роботе, понимаете, что это не поддается обобщению, переосмысливаете свой подход и тренируетесь на новом симуляторе, и надеетесь, что теперь он будет обобщен на реальном роботе. И этот процесс может продолжаться долгое время, прежде чем вы действительно добьетесь того обобщающего поведения, на которое надеетесь. И в этом процессе вы постоянно тестируете настоящего робота, чтобы увидеть, работает ли ваше обобщение или нет.

Blue - это исследовательский проект или продукт?

Дэвид Гили: Задача состоит в том, чтобы показать исследовательскому сообществу оружие. [Зарабатывать деньги] для нас менее важно, чем попытки ускорить исследования. Нам повезло, что мы привязаны к университету, так что это не обязательно должна быть огромная корпорация, чтобы мы считали ее успешной.

Питер Аббель: Мы не хотим терять из-за этого деньги, но если мы сможем сделать тысячу исследователей очень довольными этой рукой, это будет успех.

Мы рады, что здесь основное внимание уделяется созданию физических роботов. Первоначально идея заключалась в том, чтобы просто разработать дизайн и сделать его доступным для всех, покупая детали напрямую и выполняя простую обработку и 3D-печать. Хотя теоретически это хорошая идея, на практике у большинства людей нет навыков, оборудования, времени или (будем честными) желания построить робота с нуля, чтобы сэкономить деньги. Мы видели это с TurtleBots : вполне возможно собрать вместе Roomba и нетбук с деталями, напечатанными на 3D-принтере и вырезанными лазером, но в большинстве случаев исследования робототехники гораздо эффективнее просто купить TurtleBot. То же самое и с синим.

При цене 5000 долларов за штуку (при условии, что все работает и рука дойдет до этой цены) Blue, вероятно, доступен для большинства робототехнических лабораторий, курсов по робототехнике и, возможно, даже для средних школ. Калифорнийскому университету в Беркли потребуется немного времени, чтобы достичь такого объема производства, но мы рады видеть, что это произойдет - почти так же, как мы рады видеть последующие исследования.