Good morning. I'm here today to talk about autonomous flying beach balls.
Dzień dobry. Dziś będę mówić
(Laughter)
o autonomicznych, latających piłkach plażowych.
No, agile aerial robots like this one. I'd like to tell you a little bit about the challenges in building these, and some of the terrific opportunities for applying this technology. So these robots are related to unmanned aerial vehicles. However, the vehicles you see here are big. They weigh thousands of pounds, are not by any means agile. They're not even autonomous. In fact, many of these vehicles are operated by flight crews that can include multiple pilots, operators of sensors, and mission coordinators.
Nie. Oczywiście o takich robotach, jak ten tutaj. Chciałbym opowiedzieć wam o wyzwaniach w ich konstruowaniu i o niektórych niesamowitych możliwościach wykorzystania tej technologii. Te roboty nawiązują do bezzałogowych statków powietrznych. Jednak te, które tu widzicie, są duże. Ważą tysiące kilogramów i w żadnym razie nie są zwinne. Nie są nawet autonomiczne. Tak naprawdę wiele z nich jest sterowanych przez załogi, w skład których wchodzi wielu pilotów, operatorów czujników i koordynatorów misji.
What we're interested in is developing robots like this -- and here are two other pictures -- of robots that you can buy off the shelf. So these are helicopters with four rotors, and they're roughly a meter or so in scale, and weigh several pounds. And so we retrofit these with sensors and processors, and these robots can fly indoors. Without GPS.
Jesteśmy zainteresowani rozwojem takich robotów - są jeszcze 2 inne zdjęcia - robotów, które możecie kupić w sklepie. To są helikoptery z 4 wirnikami, mają około metra długości i ważą kilka kilogramów. Ulepszamy je czujnikami i procesorami, mogą więc latać wewnątrz budynków bez GPS.
The robot I'm holding in my hand is this one, and it's been created by two students, Alex and Daniel. So this weighs a little more than a tenth of a pound. It consumes about 15 watts of power. And as you can see, it's about eight inches in diameter. So let me give you just a very quick tutorial on how these robots work.
Robot, którego mam w ręce jest jednym z nich i został stworzony przez 2 studentów, Alexa i Daniela. Waży nieco ponad 50 gramów. Waży nieco ponad 50 gramów. Zużywa około 15 W energii i jak widać, ma około 20 cm średnicy. Pozwólcie, że szybko pokażę wam, jak te roboty działają.
So it has four rotors. If you spin these rotors at the same speed, the robot hovers. If you increase the speed of each of these rotors, then the robot flies up, it accelerates up. Of course, if the robot were tilted, inclined to the horizontal, then it would accelerate in this direction. So to get it to tilt, there's one of two ways of doing it. So in this picture, you see that rotor four is spinning faster and rotor two is spinning slower. And when that happens, there's a moment that causes this robot to roll. And the other way around, if you increase the speed of rotor three and decrease the speed of rotor one, then the robot pitches forward.
Ten robot ma 4 wirniki. Jeśli obracają się z tą samą prędkością, robot zawiśnie w powietrzu. Jeśli zwiększymy prędkość któregoś z wirników, robot leci w górę, przyspiesza. Jeśli byłby przechylony w poziomie, przyspieszyłby właśnie w tym kierunku. Przechył można wywołać na 2 sposoby. Na tym rysunku widać wirnik nr 4 obracający się szybciej i wirnik nr 2 obracający się wolniej. Wtedy robot zaczyna się obracać. Teraz w drugą stronę. Zwiększenie prędkości wirnika nr 3 i zmniejszenie prędkości wirnika nr 1 spowoduje przechylenie się robota do przodu.
And then finally, if you spin opposite pairs of rotors faster than the other pair, then the robot yaws about the vertical axis. So an on-board processor essentially looks at what motions need to be executed and combines these motions, and figures out what commands to send to the motors -- 600 times a second. That's basically how this thing operates.
Wreszcie, obracając przeciwległe wirniki szybciej niż pozostałe dwa, spowodujemy, że robot obróci się w osi pionowej. Procesor pokładowy sprawdza jakie ruchy należy wykonać, łączy je i decyduje, jakie komendy wysłać do wirników 600 razy na sekundę. W taki sposób działają te roboty.
So one of the advantages of this design is when you scale things down, the robot naturally becomes agile. So here, R is the characteristic length of the robot. It's actually half the diameter. And there are lots of physical parameters that change as you reduce R. The one that's most important is the inertia, or the resistance to motion. So it turns out the inertia, which governs angular motion, scales as a fifth power of R. So the smaller you make R, the more dramatically the inertia reduces. So as a result, the angular acceleration, denoted by the Greek letter alpha here, goes as 1 over R. It's inversely proportional to R. The smaller you make it, the more quickly you can turn.
Jedną z zalet takiej konstrukcji jest to, że zmniejszając skalę, roboty w naturalny sposób stają się zwinne. Tutaj R jest tzw. "długością charakterystyczną" robota. Dokładnie połową jego średnicy. Wiele parametrów fizycznych zmienia się, gdy zmniejszamy R. Najważniejszym jest inercja (moment bezwładności) lub opór ruchu. Okazuje się, że inercja, która decyduje o ruchu kątowym, równa się R do potęgi piątej. Więc im mniejsze R, tym gwałtowniej zmniejsza się inercja. W rezultacie, przyspieszenie kątowe oznaczone grecką literą α (alfa), wynosi ułamek 1 / R. Jest odwrotnie proporcjonalne do R. Im jest mniejsze, tym łatwiej skręcić.
So this should be clear in these videos. On the bottom right, you see a robot performing a 360-degree flip in less than half a second. Multiple flips, a little more time. So here the processes on board are getting feedback from accelerometers and gyros on board, and calculating, like I said before, commands at 600 times a second, to stabilize this robot. So on the left, you see Daniel throwing this robot up into the air, and it shows you how robust the control is. No matter how you throw it, the robot recovers and comes back to him.
Na filmach widać to najlepiej. U dołu po prawej stronie mamy robota wykonującego przewrót o 360 stopni w mniej niż pół sekundy. Wielokrotne przewroty zajmują trochę więcej czasu. Procesory pokładowe otrzymują dane od czujników przyspieszenia i żyroskopów i obliczają, jak już wspomniałem wcześniej, komendy 600 razy na sekundę by stabilizować robota. Po lewej widzimy Daniela rzucającego robota w powietrze. Widać tu, jak skuteczna jest kontrola nad lotem. Nieważne jak go rzucić, robot odzyskuje równowagę i wraca.
So why build robots like this? Well, robots like this have many applications. You can send them inside buildings like this, as first responders to look for intruders, maybe look for biochemical leaks, gaseous leaks. You can also use them for applications like construction. So here are robots carrying beams, columns and assembling cube-like structures. I'll tell you a little bit more about this. The robots can be used for transporting cargo. So one of the problems with these small robots is their payload-carrying capacity. So you might want to have multiple robots carry payloads. This is a picture of a recent experiment we did -- actually not so recent anymore -- in Sendai, shortly after the earthquake. So robots like this could be sent into collapsed buildings, to assess the damage after natural disasters, or sent into reactor buildings, to map radiation levels.
Po co budować takie roboty? Takie roboty maja wiele zastosowań. Można je wysłać do budynków, takich jak ten, jako siły szybkiego reagowania w poszukiwaniu intruzów, mogą szukać wycieków biochemicznych, wycieków gazu. Można ich używać również w budownictwie. Tu widzimy roboty przenoszące belki, kolumny i montujące konstrukcje sześcienne. Opowiem o tym trochę więcej. Można je wykorzystać do transportu ładunków. Problem tych robotów to ich ładowność. Potrzeba wielu robotów by przenosić ładunki. To zdjęcie z przeprowadzonego przez nas ostatnio eksperymentu, może nie aż tak ostatnio, w Sendai krótko po trzęsieniu ziemi. Te roboty można wysyłać do zawalonych budynków w celu oceny uszkodzeń w katastrofach naturalnych, lub do radioaktywnych budynków w celu zmierzenia poziomu promieniowania.
So one fundamental problem that the robots have to solve if they are to be autonomous, is essentially figuring out how to get from point A to point B. So this gets a little challenging, because the dynamics of this robot are quite complicated. In fact, they live in a 12-dimensional space. So we use a little trick. We take this curved 12-dimensional space, and transform it into a flat, four-dimensional space. And that four-dimensional space consists of X, Y, Z, and then the yaw angle.
Głównym problemem, jaki roboty muszą rozwiązać, jeśli mają być autonomiczne, to zasadniczo odkrycie jak dostać się z punktu A do puntu B. Jest to nie lada wyzwanie, ponieważ dynamika tego robota jest dość skomplikowana. Funkcjonują dosłownie w 12-wymiarowej przestrzeni. Używamy więc pewnej sztuczki. Bierzemy tę zakrzywioną 12-wymiarową przestrzeń i ją modyfikujemy w płaską przestrzeń 4-wymiarową. A ta przestrzeń 4-wymiarowa składa się z X, Y, Z i kąta odchylenia.
And so what the robot does, is it plans what we call a minimum-snap trajectory. So to remind you of physics: You have position, derivative, velocity; then acceleration; and then comes jerk, and then comes snap. So this robot minimizes snap. So what that effectively does, is produce a smooth and graceful motion. And it does that avoiding obstacles. So these minimum-snap trajectories in this flat space are then transformed back into this complicated 12-dimensional space, which the robot must do for control and then execution.
Robot planuje coś, co nazywamy trajektorią minimalnych drgań. Jak pamiętamy z fizyki, mamy położenie, pochodną, prędkość, potem przyspieszenie, następnie zryw, a później drganie. Ten robot minimalizuje drganie. W rezultacie wykonuje płynny i pełen gracji ruch. Robi to unikając przeszkód. W tej płaskiej przestrzeni te trajektorie minimalnych drań są następnie zamieniane z powrotem na tę skomplikowaną przestrzeń 12-wymiarową, którą robot musi przetworzyć dla kontroli i działania.
So let me show you some examples of what these minimum-snap trajectories look like. And in the first video, you'll see the robot going from point A to point B, through an intermediate point.
Przedstawię przykłady na to, jak wyglądają te trajektorie minimalnych drgań. Na pierwszym video zobaczycie robota zmierzającego z punktu A do punktu B, przez punkt pośredni.
(Whirring noise)
So the robot is obviously capable of executing any curve trajectory. So these are circular trajectories, where the robot pulls about two G's. Here you have overhead motion capture cameras on the top that tell the robot where it is 100 times a second. It also tells the robot where these obstacles are. And the obstacles can be moving. And here, you'll see Daniel throw this hoop into the air, while the robot is calculating the position of the hoop, and trying to figure out how to best go through the hoop. So as an academic, we're always trained to be able to jump through hoops to raise funding for our labs, and we get our robots to do that.
Robot może poruszać się po każdej krzywej trajektorii. To są trajektorie kołowe, gdzie robot osiąga przeciążenie wartości 2 G. U góry umieszczone są kamery wykrywające ruch, które informują robota o jego położeniu 100 razy na sekundę. Podają również robotowi położenie przeszkód, które mogą być ruchome. Tutaj Daniel podrzuca w powietrzu hula-hop, a robot oblicza jego położenie i próbuje obrać najlepszą drogę przez jego środek. Jako pracownicy akademiccy, zawsze jesteśmy szkoleni, by umieć przeskoczyć przez przeszkody w celu zebrania funduszy na badania, a teraz robią to za nas roboty.
(Applause)
(Oklaski)
So another thing the robot can do is it remembers pieces of trajectory that it learns or is pre-programmed. So here, you see the robot combining a motion that builds up momentum, and then changes its orientation and then recovers. So it has to do this because this gap in the window is only slightly larger than the width of the robot. So just like a diver stands on a springboard and then jumps off it to gain momentum, and then does this pirouette, this two and a half somersault through and then gracefully recovers, this robot is basically doing that. So it knows how to combine little bits and pieces of trajectories to do these fairly difficult tasks.
Roboty potrafią również zapamiętywać elementy trajektorii, których się uczą lub są im zaprogramowane. Tu widzimy robota wykonującego sekwencję ruchów, który nabiera pędu, potem zmienia pozycję lotu i odzyskuje równowagę. Musi to robić, ponieważ otwór w okienku jest niewiele większy od szerokości robota. Jak skoczek stojący na trampolinie, skaczący by nabrać pędu, który później wykonuje obroty, te 2,5 salta i z gracją odzyskuje równowagę, mniej więcej to robi ten robot. Robot wie jak łączyć odpowiednie elementy trajektorii, by wykonać te dość trudne zadania.
So I want change gears. So one of the disadvantages of these small robots is its size. And I told you earlier that we may want to employ lots and lots of robots to overcome the limitations of size. So one difficulty is: How do you coordinate lots of these robots? And so here, we looked to nature. So I want to show you a clip of Aphaenogaster desert ants, in Professor Stephen Pratt's lab, carrying an object. So this is actually a piece of fig. Actually you take any object coated with fig juice, and the ants will carry it back to the nest. So these ants don't have any central coordinator. They sense their neighbors. There's no explicit communication. But because they sense the neighbors and because they sense the object, they have implicit coordination across the group.
Chciałbym teraz zmienić temat. Jedną z wad tych małych robotów jest ich rozmiar. Jak wspomniałem wcześniej, możemy potrzebować wielu robotów, by pokonać ograniczenia ich rozmiarów. Jedną z trudności jest to, jak skoordynować dużą liczbę robotów? Tu z pomocą przyszła natura. Pokażę wam film o pustynnych mrówkach Aphaenogaster, które w laboratorium prof. Stephena Pratta przenoszą przedmiot. To kawałek figi. Można użyć czegokolwiek pokrytego sokiem figowym, a mrówki zaniosą to do gniazda. Te mrówki nie mają głównego koordynatora. Wyczuwają się nawzajem. Nie zachodzi wyraźna komunikacja, ale wyczuwając siebie nawzajem i wyczuwając przedmiot ma miejsce ukryta koordynacja grupy.
So this is the kind of coordination we want our robots to have. So when we have a robot which is surrounded by neighbors -- and let's look at robot I and robot J -- what we want the robots to do, is to monitor the separation between them, as they fly in formation. And then you want to make sure that this separation is within acceptable levels. So again, the robots monitor this error and calculate the control commands 100 times a second, which then translates into motor commands, 600 times a second. So this also has to be done in a decentralized way. Again, if you have lots and lots of robots, it's impossible to coordinate all this information centrally fast enough in order for the robots to accomplish the task. Plus, the robots have to base their actions only on local information -- what they sense from their neighbors. And then finally, we insist that the robots be agnostic to who their neighbors are. So this is what we call anonymity.
Chcielibyśmy, żeby nasze roboty miały taką koordynację. Robot otoczony innymi robotami, Robot otoczony innymi robotami, spójrzmy na roboty I oraz J, chcemy by roboty monitorowały odstęp pomiędzy sobą podczas lotu w formacji. Chcemy też mieć pewność, że te odstępy mieszczą się w określonych granicach. Roboty monitorują margines błędu i obliczają komendy 100 razy na sekundę, które później przekazują do wirników 600 razy na sekundę. To również trzeba wykonać w bardziej decentralizujący sposób. Mając wiele robotów, nie mogą być centralnie sterowane na tyle szybko, by mogły wykonywać zadania. Dodatkowo roboty muszą opierać swe działania na informacjach lokalnych, na tym, co odbierają od sąsiednich robotów. Powinny również być "agnostycznie" nastawione do sąsiednich robotów. Nazywamy to "anonimowością".
So what I want to show you next is a video of 20 of these little robots, flying in formation. They're monitoring their neighbors' positions. They're maintaining formation. The formations can change. They can be planar formations, they can be three-dimensional formations. As you can see here, they collapse from a three-dimensional formation into planar formation. And to fly through obstacles, they can adapt the formations on the fly. So again, these robots come really close together. As you can see in this figure-eight flight, they come within inches of each other. And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades, they're able to maintain stable flight.
Pokażę Wam teraz nagranie Pokażę Wam teraz nagranie 20 małych robotów lecących w formacji. Monitorują położenie swoich sąsiadów. Utrzymują formację. Formacje mogą się zmieniać. Mogą być płaskie, lub trójwymiarowe. Jak widać, przechodzą z formacji trójwymiarowej do płaskiej i aby pokonać przeszkody, mogą dostosowywać formację w locie. Roboty mogą być bardzo blisko siebie. Jak widać podczas robionej przez nie ósemki, lecą od ciebie w odległości kilku centymetrów. Pomimo oddziaływań aerodynamicznych śmigieł, Pomimo oddziaływań aerodynamicznych śmigieł, mogą utrzymać stabilny lot.
(Applause)
(Oklaski)
So once you know how to fly in formation, you can actually pick up objects cooperatively. So this just shows that we can double, triple, quadruple the robots' strength, by just getting them to team with neighbors, as you can see here. One of the disadvantages of doing that is, as you scale things up -- so if you have lots of robots carrying the same thing, you're essentially increasing the inertia, and therefore you pay a price; they're not as agile. But you do gain in terms of payload-carrying capacity.
Umiejąc latać w formacji, można wspólnie podnosić przedmioty. Siłę robota można zwiększyć nawet czterokrotnie, Siłę robota można zwiększyć nawet czterokrotnie, Siłę robota można zwiększyć nawet czterokrotnie, jeżeli będą współpracować z sąsiadami. Jedną z wad jest to, że powiększając skalę, czyli mając wiele robotów unoszących tę samą rzecz, znacznie zwiększamy inercję, tak więc płacimy określoną cenę; roboty nie są już tak zwinne. Zyskujemy jednak na ładowności.
Another application I want to show you -- again, this is in our lab. This is work done by Quentin Lindsey, who's a graduate student. So his algorithm essentially tells these robots how to autonomously build cubic structures from truss-like elements. So his algorithm tells the robot what part to pick up, when, and where to place it. So in this video you see -- and it's sped up 10, 14 times -- you see three different structures being built by these robots. And again, everything is autonomous, and all Quentin has to do is to give them a blueprint of the design that he wants to build.
Pokażę inne zastosowanie robotów, jesteśmy znów w naszym laboratorium. Autorem jest nasz absolwent Quentin Lindsey. Jego algorytm mówi robotom, jak samodzielnie zbudować sześcienne struktury z elementów kratownicy. Algorytm mówi robotowi, którą część podnieść, kiedy i gdzie ją umieścić. Na filmie, który przyspieszono ok. 14 razy, widzimy 3 różne struktury budowane przez te roboty. Wszystko wykonują samodzielnie, a Quentin musi jedynie dać im projekt konstrukcji, jaką mają stworzyć.
So all these experiments you've seen thus far, all these demonstrations, have been done with the help of motion-capture systems. So what happens when you leave your lab, and you go outside into the real world? And what if there's no GPS? So this robot is actually equipped with a camera, and a laser rangefinder, laser scanner. And it uses these sensors to build a map of the environment. What that map consists of are features -- like doorways, windows, people, furniture -- and it then figures out where its position is, with respect to the features. So there is no global coordinate system. The coordinate system is defined based on the robot, where it is and what it's looking at. And it navigates with respect to those features.
Wszystkie eksperymenty, które do tej pory zobaczyliśmy, wszystkie te prezentacje, zostały wykonane przy pomocy systemów wykrywających ruch. A co się stanie, jeśli opuścimy laboratorium i wyjdziemy do prawdziwego świata? Co, jeśli nie mamy GPS? Ten robot wyposażony jest w kamerę i skaner laserowy. Używa tych czujników do stworzenia mapy otoczenia. Mapa ta składa się z elementów takich, jak drzwi, okna, ludzie, meble, robot następnie określa swoje położenie względem tych obiektów. Nie istnieje więc globalny system sterujący. System sterujący jest określany w oparciu o robota, na tym gdzie jest i na co patrzy. Nawiguje uwzględniając te dane.
So I want to show you a clip of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael, that shows this robot entering a building for the very first time, and creating this map on the fly. So the robot then figures out what the features are, it builds the map, it figures out where it is with respect to the features, and then estimates its position 100 times a second, allowing us to use the control algorithms that I described to you earlier. So this robot is actually being commanded remotely by Frank, but the robot can also figure out where to go on its own. So suppose I were to send this into a building, and I had no idea what this building looked like. I can ask this robot to go in, create a map, and then come back and tell me what the building looks like. So here, the robot is not only solving the problem of how to go from point A to point B in this map, but it's figuring out what the best point B is at every time. So essentially it knows where to go to look for places that have the least information, and that's how it populates this map.
Pokażę wam film o algorytmach opracowanych przez Franka Shena i prof. Nathana Michaela, który przedstawia robota wlatującego po raz pierwszy do budynku i tworzącego w locie tę mapę. Robot określa cechy budynku. Tworzy mapę. Określa swoje położenie względem obiektów i oblicza swoją pozycję 100 razy na sekundę, pozwalając nam zastosować algorytmy sterujące, które omówiłem wcześniej. Ten robot jest zdalnie sterowany przez Franka, Ten robot jest zdalnie sterowany przez Franka, ale może również poruszać się samodzielnie. Powiedzmy, że miałbym go wysłać do budynku, a nie wiedziałbym jak ten budynek wygląda. Robot może stworzyć mapę Robot może stworzyć mapę i wrócić z danymi opisującymi budynek. Robot tu nie tylko rozwiązuje problem, jak dostać się z punktu A do punktu B, ale za każdym razem określa najlepsze położenie punktu B. Wie gdzie ma się udać, by odnaleźć miejsca, o których ma najmniej danych. W ten sposób uzupełnia mapę.
So I want to leave you with one last application. And there are many applications of this technology. I'm a professor, and we're passionate about education. Robots like this can really change the way we do K-12 education. But we're in Southern California, close to Los Angeles, so I have to conclude with something focused on entertainment. I want to conclude with a music video. I want to introduce the creators, Alex and Daniel, who created this video.
Pokażę ostatnie zastosowanie tej technologii, Pokażę ostatnie zastosowanie tej technologii, a jest ich wiele. Jestem profesorem zafascynowanym edukacją. Takie roboty mogą naprawdę zmienić obraz szkolnictwa. Jesteśmy jednak w Południowej Kalifornii, niedaleko Los Angeles, więc muszę zakończyć czymś związanym z rozrywką. Zakończę teledyskiem. Chciałbym przedstawić Alexa i Daniela, którzy stworzyli to nagranie.
(Applause)
(Oklaski)
So before I play this video, I want to tell you that they created it in the last three days, after getting a call from Chris. And the robots that play in the video are completely autonomous. You will see nine robots play six different instruments. And of course, it's made exclusively for TED 2012. Let's watch.
Zanim je puszczę, chcę powiedzieć, że stworzyli je w ciągu ostatnich 3 dni, po telefonie od Chrisa. Roboty z filmu są całkowicie samodzielne. Zobaczycie 9 robotów grających na 6 różnych instrumentach. Oczywiście wszystko specjalnie dla TED 2012. Obejrzyjmy.
(Sound of air escaping from valve)
(Music)
(Whirring sound)
(Music)
(Muzyka)
(Applause) (Cheers)
(Oklaski)