Как это устроено: робот Spot от Boston Dynamics
Spot танцуют, стойко сносят пинки, буксируют грузовики и катают Адама Сэвиджа на рикше. У этих роботов отличный пиар, но что вы на самом деле знаете об их возможностях?
Давайте разберемся, как устроены Spot, как ими управлять, как под них разрабатывать. И главное, зачем серьезным компаниям покупать четвероногих роботов по 75 000 долларов за штуку.
Случайный пиар
Никто в Boston Dynamics не ожидал, что их роботы станут частью массовой культуры. По крайней мере, так говорит Марк Райберт (Marc Raibert) — основатель, председатель совета директоров и бывший генеральный директор компании.
Однажды некто скачал несколько ранних роликов с сайта Boston Dynamics и залил на YouTube. Они привлекли много внимания, и завертелось.
Мы получили положительную реакцию от наших клиентов и спонсоров. После мы решили: «Хорошо, нужно завести свой канал на YouTube».
Сейчас на Boston Dynamics подписано больше полутора миллионов человек. Правда, известность сыграла с компанией злую шутку. Из-за всех этих роликов роботов часто переоценивают.
Разработка Spot
Дизайн добавляет путаницы. Spot напоминает собаку, поэтому люди думают, что он будет вести себя так же. Например, будет поворачиваться, чтобы что-то рассмотреть.
Да, в конструкции Spot есть элементы бионического дизайна, но перед инженерами не было задачи сделать робота похожего на собаку и ведущего себя, как животное. Можно сказать, что его внешность — результат сходящейся эволюции.
Для многих робот — просто компьютер, который раздает команды механизмам и получает обратную связь при помощи сенсоров. В реальности, с одной стороны механизмами управляет компьютер, а с другой — действуют гравитация, трение, закон сохранения импульса и вся остальная бессердечная физика. Чтобы робот мог нормально работать за пределами лаборатории, алгоритмы, механика и окружающая среда должны гармонично взаимодействовать.
В Boston Dynamics добиваются этого, постепенно совершенствуя роботов. Инженеры компании собирают прототип, прогоняют его через серии практических тестов, и на основе полученных данных проектируют новую версию.
Они начинают с конструкций на базе заводских модулей, и поколение за поколением продвигаются ко все более сложному кастомному дизайну, рассчитанному на 3D-печать.
Слева — классическая конструкция: винты, кабели и разъемы. Справа — усовершенствованная. Она больше похожа на анатомический рисунок. Часть бедра с гидравликой, каркас, приводы и вся остальная машинерия будто образуют единое целое
Так, за 15 лет брутальный 110 кг BigDog, превратился в Spot — робота, которого многие хотели бы увидеть в будке около своего дома.
Анатомия Spot
Механика
Длина Spot — 110 см, а в холке робот достигает 84 см. Формально у Spot есть перед — там расположены светодиодные индикаторы состояния. Сзади находится набор разъемов. Однако, робот одинаково быстро движется и вперед, и назад. Максимальная скорость достигает 5,76 км/ч — его можно обогнать трусцой.
В лапы встроено 12 электрических приводов — по два в бедренных суставах, и по одному в каждом колене. На конце каждой конечности расположены протекторы, отдаленно напоминающие автомобильные покрышки.
Такая конструкция позволяет Spot двигаться приставным шагом, разворачиваться на месте, приседать, ложиться на землю, уверенно взбираться по склонам с уклоном до 30 градусов, подниматься по лестницам и вставать после падений.
Spot весит 32,5 кг и снабжен ручками для переноски
Спецы из iFixit еще не дотянулись до Spot, а Boston Dynamics не спешит делиться коммерческими секретами. Поэтому мы мало знаем о том, как именно этот робот поддерживает равновесие. В своих ранних машинах Boston Dynamics использовала акселерометры, твердотельные гироскопы и гиростабилизаторы. Распределение веса контролировалось при помощи тензодатчиков и датчиков крутящего момента в суставах.
Все вычисления, необходимые для работы Spot, выполняются «на борту», но, опять же, неясно, какая электроника за них отвечает. Мне попадались слухи о двух процессорах Intel Core I7, но подтвердить их не удалось.
Корпус
Spot имеет рейтинг IP54. Защита от воды хуже, чем у iPhone, но зато не разобьется при падении
Рассмотреть начинку робота мешает двухслойный защитный корпус. Снаружи — покрытие из поликарбоната, внутренний слой сделан из пенопласта. Такая конструкция смягчает удары о препятствия.
Spot не боится дождя, строительной пыли и может работать при температуре от -20С до 45С.
Батарея
К каждому Spot прилагается пара сменных литий-ионных аккумуляторов емкостью 600 Вт-ч каждый и 400 Вт зарядное устройство. На зарядку аккумулятора требуется 2 часа. Батареи вставляются в брюхо робота и обеспечивает 90 минут активной работы или около 4 часов сидя в режиме ожидания.
Пара батарей и зарядное устройство (выход: 35–58,6 В постоянного тока, 7,2 А Макс.)
В документации к Spot упоминается, что при некоторых движениях приводы не тратят, а генерируют ток. В результате, напряжение на шине робота может превышать напряжение батареи, но вряд ли это заметно продлевает время работы.
Сенсоры и восприятие пространства
Spot видит все вокруг, но недалеко. Инженеры снабдили его пятью стереокамерами, обеспечивающими 360-градусный обзор. Сенсоры выдают черно-белую картинку и позволяют построить карту глубины, но дальность обзора составляет всего 4 метра.
Чтобы ориентироваться на местности и избегать препятствий, Spot использует не только камеры, но и одометрию — данные о движении приводов. Они формируют машинный аналог человеческой проприоцепции — ощущения положения тела в пространстве. При помощи камер и одометрии Spot поддерживает и обновляет модель, которая описывает позу робота и положение относительно других объектов.
Связь
Все приложения связываются с компьютером Spot через сетевое соединение по протоколу TLS 1.2 или 1.3. Хотя у робота есть разъем RJ-45, для управления обычно используют встроенный модуль Wi-Fi 802.11. Spot может подключаться к существующим Wi-Fi сетям или сам выступать в качестве точки доступа.
При прямом подключении к роботу можно рассчитывать на максимальную дальность управления в 50 метров. Чтобы увеличить это расстояние, Boston Dynamics рекомендует подключать к Spot LTE-модем.
Управление Spot
В YouTube-роликах Spot кажутся довольно самостоятельными, но еще в прошлом году это было не так. Когда их начали рассылать заказчикам, собаки Boston Dynamics не могли ориентироваться в пространстве без помощи оператора.
Контроллер
Обычно для управления Spot используют контроллер с незамысловатым названием Spot Explorer. Это 7-дюймовый планшет, который выглядит как помесь Nintendo Switch с геймпадом Xbox.
Boston Dynamics в этом никогда не признается, но его можно купить на Aliexpress под названием JXD S192K: разрешение дисплея — 1920×1200, процессор Rockport 1,8 ГГц, 4 ГБ оперативной, 64 ГБ встроенной памяти и аккумулятор на 10 000 мАч.
В магазины этот планшет поступает с Android 5.1 на борту, но версия Boston Dynamics обновлена до Android 8.1 и заполнена кастомным софтом для управления роботом.
Чтобы заставить Spot двигаться, достаточно пары стиков по бокам от экрана планшета. Левый отвечает за движение вперед-назад и вправо-влево, а правый управляет вращением робота вокруг своей оси. Если прикоснуться к экрану, робот переместится к выбранной точке, совсем как в Google Street View.
Врожденный интеллект
Чтобы освоиться с управлением, нужны считаные минуты. Дело в том, что большую часть работы Spot берет на себя. Робот самостоятельно избегает столкновений, переступает через препятствия и адаптируется к неровностям местности.
Это работает удивительно хорошо, но не идеально. Spot все еще теряет равновесие на скользких поверхностях и спотыкается о кабели и веревки. Он может наступать на банки с краской, ведра и другие предметы ниже 30 см, плохо распознает зеркальные и очень яркие препятствия. В инструкции отдельно подчеркивается, что Spot может врезаться в стеклянные двери. А еще, если придет робоапокалипсис, вы можете попробовать спастись в высокой траве.
Autowalk
Spot может запомнить дорогу и самостоятельно пройти по сохраненному маршруту. Эта функция делает из игрушки с радиоуправлением инструмент для автоматизации повторяющихся задач.
Сначала Spot нужно вывести на прогулку — включить запись и провести по маршруту вручную.
В режиме Autowalk робот пройдет тот же путь самостоятельно, обходя появившиеся препятствия и повторяя все действия, которые совершал раньше. Например, он будет фотографировать в одних и тех же точках маршрута. Чуть позже вы поймете, зачем это нужно.
Чтобы Spot понимал где находится и куда движется, ему нужны визуальные ориентиры — путевые точки. Обычно робот отмечает их с интервалом в 2 метра. Это места с углами, мебелью, оборудованием и другими подобными особенностями. Поэтому Spot хорошо ориентируется в насыщенной среде, но может потеряться в трех соснах в длинном белом коридоре.
В таких местах Boston Dynamics рекомендует развешивать фидуциары — картинки, похожие на QR-коды. Они служат искусственными ориентирами. Как минимум один такой тег обязательно нужен, чтобы отметить начало пути.
Записи маршрутов хранятся в Spot Explorer. Их может повторить любой робот, к которому подключен контроллер.
Продвинутая навигация
Весной 2020 года Boston Dynamics выпустила обновление Spot 2.0. Теперь под руководством оператора Spot может построить подробную карту местности. Затем нужно выбрать на карте те места, которые должен посетить робот, и действия, которые он должен совершить. Spot самостоятельно построит кратчайший маршрут, пройдет по нему и выполнит свою задачу.
Полезная нагрузка
Чтобы заставить Spot сделать что-то полезное, его нужно хорошенько навьючить.
На спине робота расположена пара алюминиевых рельсов, отдаленно напоминающих автомобильный багажник. К ним можно прикрепить до 14 кг. Это не мертвый груз, а функциональные модули, которые подключаются к роботу через пару портов DB25. Разъемы обеспечивают питание (до 150 Вт на порт) и передачу информации.
Spot понимает, какой модуль к нему подключен, учитывает вес и габариты груза при ходьбе. Цель Boston Dynamics — превратить Spot в «мобильную платформу», так что компания уже разработала набор аксессуаров. Они продаются по негуманным ценам на официальном сайте компании.
Spot CAM и CAM+
Основной недостаток спот — близорукость, и Boston Dynamics предлагает несколько способов его исправить.
Прежде всего, это Spot Cam — панорамная камера из пяти сенсоров Sony IMX290. Их дополняет кольцо из ярких светодиодов, пара динамиков и микрофоны для двусторонней связи. Spot CAM+ — то же самое, плюс управляемая pan-tilt-zoom-камера со скромным разрешением 2 МП и нескромным 30-кратным оптическим зумом.
LIDAR и Faro Trek
LIDAR позволяет Spot уверенно ориентироваться на больших открытых пространствах и картировать местность.
Фактически Boston Dynamics перепродает лидар Velodyne VLP-16, который сканирует объекты в радиусе 100 метров с точностью до 3 см. Кроме того, компания FARO уже выпустила для Spot собственное решение для трехмерного сканирования на базе лазерного сканера FARO FocusS.
Spot CORE и Core AI
Чтобы обрабатывать данные с лидара в реальном времени, Spot нужна дополнительная вычислительная мощность.
CORE — обычный компьютер под управлением Ubuntu Desktop 18.04 LTS в компактном исполнении. Внутри находится процессор Intel Core i5 восьмого поколения, 16 ГБ оперативной памяти DDR4 и SSD диск на 512 ГБ. В отличие от компьютеров, управляющих Spot, эта система открыта для разработчиков.
Для машинного обучения предусмотрен отдельный модуль — Core AI. Это CPU Intel Xeon E3–1515M V5, 32 ГБ оперативной памяти, 480 ГБ SSD и видеокарта Nvidia Quatro P5000 в корпусе с защитой IP67 и возможностью работы от -20 до 45C.
Spot ARM
Самый интересный официальный аксессуар для Spot — робокука. Spot Arm весит 8 кг и может поднять до 4 кг.
Впервые ее показали еще несколько лет назад, но обещают выпустить в продажу лишь к началу 2021 года. Ведь мало сконструировать манипулятор, нужно научить Spot им пользоваться.
У Spot Arm, как и у всего робота, должен быть «врожденный интеллект». Манипулятор должен захватывать предметы автоматически, повинуясь простым командам. Кроме того, Spot Arm должен слаженно работать с остальным телом Spot. Это хорошо видно, когда Spot открывает дверь.
Робот определяет местоположение ручки, выбирает угол захвата, позиционирует манипулятор, решает, толкать или тянуть, а затем тянет за ручку и маневрирует всем телом.
Научить робота действовать также в различных ситуациях — непростая задача. Сейчас инженеры по всей Америке заставляют Spot собирать разные предметы с пола своих квартир. Boston Dynamics отправила сотрудников на удаленку вместе с 71 робособакой. Но, несмотря на это, в Boston Dynamics подчеркивают: Spot не подходит, чтобы убираться на кухне или бегать во дворе дома.
Не для дома
Spot — промышленный робот, а не домашний любимец. Да, он тише, чем прародитель — дизельный BigDog, но все еще здорово шумит, особенно в маленькой квартире.
«Spot громкий», — рассказал в разговоре с The Verge Сэм Сейферт (Sam Seifert), один из инженеров Boston Dynamics, — «Это не так заметно в промышленных условиях или больших помещениях, но в маленьких замкнутых пространствах, топот Spot резонирует».
На спине этого песика закреплен лазерный сканер FARO
Главная причина держаться от Spot на расстоянии — он не соответствует трем правилам робототехники, ни буквально ни метафорически.
Робот не может предсказывать траектории движущихся объектов, и у него нет специальных навыков для контактов с людьми. Кроме того, его конструкция довольно опасна. Шарниры могут с легкостью прищемить пальцы. Инструкция не скупится на кровавые подробности.
На такой случай предусмотрен аварийный выключатель в приложении и на шасси робота, и все же, Spot не стоит использовать в тесном контакте с людьми, тем более дома.
Применение Spot
Как и большинство современных роботов, Spot лучше всего подходит для Three Ds: dirty, dull, and dangerous — грязной, скучной и опасной работы. Но даже инженеры Boston Dynamics поначалу не знали, где именно робот окажется наиболее полезен.
Осенью 2019 года Boston Dynamics отправила 150 Spot различным компаниям и исследовательским центрам для тестирования. Роботов буквально отдавали со словами: «придумайте им наилучшее применение». И применения нашлись.
Строительство и инженерия
Spot оказались полезны на стройплощадках. Там одновременно работает много людей разных профессий, и их усилия сложно координировать. Каким бы придирчивым ни было руководство, рано или поздно кто-то отклоняется от чертежей. Тогда приходится сносить уже готовую стену, а, в худшем случае, реконструировать целое здание.
В 21 веке вместо бумажных планов в строительстве используют BIM (Building Information Modeling). Это сложная штука, но сейчас достаточно сказать, что BIM выглядит, как подробная трехмерная модель здания со всеми коммуникациями.
Во время строительства специально обученный сотрудник обходит строительную площадку с фотокамерой в руках, делает сотни снимков в заранее выбранных точках, сгружает их на компьютер и сравнивает с ранними снимками и трехмерным планом. Через неделю — повторяет все заново. Ну вы поняли… К тому же, сделанные человеком фотографии, отличаются по ракурсу и это затрудняет сверку.
Spot справляется с этой задачей лучше людей. Ему не надоедает ходить по одному и тому же маршруту 24 на 7, и он может делать больше снимков с большей точностью.
Так, чтобы отслеживать ход строительства на площадке Pomerleau, пара роботов Spot еженедельно делала почти 5 000 фотографий, обходя территорию более 45 000 квадратных метров.
Но дело не только в фотографиях. С лидаром или лазерным сканером на спине Spot может собирать данные для создания новых и обновления старых информационных моделей. Этим собаки Boston Dynamics занимаются в Мичигане.
Там расположены заводы Ford, которые модернизировали и перестраивали на протяжении десятков лет. Теперь они даже приблизительно не похожи на оригинальные инженерные планы. Чтобы полностью переоборудовать производство, Ford нужно заново перенести его «на бумагу». По словам Марка Годериса (Mark Goderis), менеджера Ford, люди сканировали бы завод до двух недель, а их работа стоила бы почти 300 000 долларов. Spot позволил справиться в два раза быстрее.
Энергетический сектор
Другая область, в которой роботы показали себя очень хорошо — мониторинг оборудования в опасных условиях, например, в море. Так, AkerBP отвезла Spot на судно FPSO в Норвегию. Там робособака будет снимать показания с оборудования и искать утечки нефти.
Меню управления Autowalk
Еще один пример — морские ветряные электростанции. Ветряки генерируют переменный ток. Чтобы снизить потери при передаче, его преобразуют в постоянный на подстанции, расположенной прямо в море, в сотнях километрах от берега. И все было бы отлично, но подстанции требуют регулярных осмотров и обслуживания.
Суровые условия и сложное оборудование делают такую работу очень опасной. Смертность среди морских рабочих в США в семь раз выше, чем на среднем рабочем месте. К тому же, во время осмотров станции приходится отключать. Это означает колоссальные потери — примерно 20 мегаватт-часов электроэнергии на каждую турбину за день простоя.
В этом контексте 75 000 долларов за робота — не такая уж высокая цена. Тем более, Spot может приближаться к работающему оборудованию. С установленным на спину тепловизором он может обнаруживать проблемы, которые пропустят техники, например, перегрев трансформаторов.
Развлечения
Четвероногих роботов, как и квадрокоптеры, можно использовать в различных шоу.
Как вы можете убедиться, Spot неплохо танцуют. Осталось только пошить красочный костюм — и в цирк. Cirque du Soleil всерьез рассматривал Spot как артиста, но после отмены представлений у них вряд ли остались деньги на роботов.
Медицина
Зато с началом пандемии роботами Spot стали интересоваться медики. Их сразу же стали применять для дистанционных консультаций, но в Массачусетский технологический институт (MIT) и Гарвардская медицинская школа пошли дальше и решили приспособить Spot и для удаленной диагностики.
Исследователи установили на Spot четыре новых камеры — инфракрасную и три монохромных, которые фильтруют различные длины световых волн: 670, 810 и 880 нанометров. Инфракрасная камера позволяет измерять температуру и частоту дыхания пациента, а монохромные фиксируют изменения цвета кожи и, таким образом, определяют насыщенность крови кислородом.
Близкое знакомство
Теперь, когда вы представляете, зачем нужен Spot, самое время познакомится с роботом поближе. Для этого даже необязательно выкладывать 75 000 долларов.
Spot на дистанционном управлении
Formant, стартап из Сан-Франциско, создает системы дистанционного управления роботами и предлагает поуправлять Spot дистанционно из любой точки мира.
Для того чтобы прогуляться по парку Золотые Ворота или по местному пляжу даже не нужен контроллер, только компьютер, надежное подключение к интернету и немного везения. Компания столкнулась с наплывом желающих, но все еще принимает заявки на тестирование.
Разработка и открытый SDK
Boston Dynamics выпустила для Spot комплект разработчика. Он доступен на Github и снабжен подробным руководством.
SDK позволяет создавать приложения для управления роботом, получать информацию с датчиков для анализа и подключать к Spot новые модули полезной нагрузки. Чтобы сделать разработку проще и доступнее, в качестве основного языка для API Boston Dynamics выбрала Python.
Компания предлагает разработчикам арендовать роботов, но существуют и симуляции. Виртуальные модели Spot доступны в Webots и, с недавних пор, в Gazebo. Они не идеальны, зато бесплатны и позволяют вволю поэкспериментировать.
Spot в симуляторе Webots
Крупные компании уже запустили разработку приложений для Spot. Американская HoloBuilder выпустила приложение для навигации по строительным площадкам, а Rocos представила облачную платформу для управления целым парком роботов.
Что дальше
Сейчас в мире работает больше двух сотен Spot. За 2020 год Boston Dynamics рассчитывала собрать еще тысячу роботов. Пандемия нарушила график, но производство продолжается. Так, на четырех механических лапах в нашу реальность крадется настоящее будущее. Вполне возможно, что навыки разработки под Spot вскоре окажутся чертовски востребованы на практике.
P.S.
Если вам понравилась эта статья и хочется еще, ищите в моем блоге по адресу santry.ru и в телеграм-канале GeeksNote.
