Засекреченные нюансы роботов телеприсутствия
Если не использовать роботов телеприсутствия и не жить с ними, а только читать о них в обзорах, то вы никогда не узнаете самого интересного. Потому что интересное скрывается разработчиками от ехидных глаз покупателей. Покупателям некоторые вещи лучше и не знать, так что я здесь пишу не для них, а для любознательных хабровчан, которые все равно роботов не покупают, а делают сами :-).
Первый «секрет» состоит в том, что несмотря на то, что в интернете описано более 30 моделей роботов, на самом деле подавляющее большинство из них так и остались экспериментальными образцами, некоторые фирмы обанкротились, другие продают роботов по ценам, несоизмеримо высоким по сравнению с их функиональными возможностями. В итоге реально на рынке остались фактически три типа роботов: Double 3, Ohmni и BotEyes:
Три лучших серийных робота телеприсутствия
Рассмотрим теперь нюансы основных характеристик роботов
Качество видео
Некоторые производители указывают в характеристиках «требуемую полосу пропускания интернета» и каждый хочет показать как можно меньшую величину. Это чистая липа и вот почему.
Подавляющее большинство роботов использует одну и ту же технологию WebRTC, разработанную Google и стандартизованную консорциумом W3C. В эту технологию уже встроены алгоритмы сжатия видео кодеками VP8 и H.264, методы доступа к камере, алгоритмы подстройки разрешения видео под пропускную способность канала связи, а также алгоритмы получения IP адресов робота и клиента. Качество видео определяется пропускной способностью канала от видеокамеры робота до экрана монитора удаленного пользователя. Уменьшить разрешающую способность видео возможно программно, но увеличить — нет. Пропускная способность всего канала передачи видео определяется самым медленным звеном. Таких звеньев три: интернет, процессор в роботе и процессор в гаджете пользователя, который управляет роботом.
С практической точки зрения самым узким звеном в канале связи является интернет, особенно если робот находится на выставке, где к одной и той же точке доступа WiFi подключено множество потребителей. В условиях, когда на стороне клиента используется мощный десктопный компьютер и интернет имеет большую пропускную способность, качество видео определяется производительностью процессора в роботе. Если же клиент использует старенький маломощный смартфон, то качество видео зависит от производительности его процессора.
Поскольку производители роботов стараются использовать наиболее мощные процессоры, существующие на рынке на момент создания робота, то качество видео у всех роботов получается примерно одинаковым, если они сделаны в одно и то же время и используют сопоставимые по производительности процессоры. Исключение составляют случаи, когда в роботе используются не универсальные процессоры, а специализированные, для обработки видео.
По мере появления новых процессоров наиболее быстро они внедряются в смартфоны и планшеты по причине огромного размера этого рынка. Рынок же специализированных процессорных модулей (печатных плат) более инертен по естественным причинам, связанным с малым тиражом таких изделий. Поэтому роботы, имеющие возможность замены планшета, установленного в голове робота, позволяют получить более качественное видео в любой момент, путем простой замены устаревшей модели планшета на более современную.
Встроенный или сменный планшет?
Многие роботы телеприсутствия выпускаются с уже встроенными сенсорными экранами и со встроенными процессорными платами (например, Double 3 и Ohmni), другие используют готовые планшеты, вставляемые в голову робота (например, Double 2, BotEyes, Padbot U1).
Встроенный сенсорный экран со встроенным процессорным модулем, в отличие от готового планшета, имеет ряд достоинств: он позволяет подключить любую веб камеру, например, поворотную камеру с увеличением (pan-tilt-zoom) или несколько камер, нестандартные микрофоны (микрофонный массив), датчики столкновений. Теоретически их можно подключить и к стандартному планшету через USB-OTG кабель, но эта технология поддерживается не всеми планшетами и не всеми ОС.
Недостатком роботов с интегрированными в них процессорными модулями и сенсорными экранами является то, что используемая в них элементная база очень быстро устаревает. В то же время в роботах со сменным планшетом его всегда можно заменить на более мощный, новейшей модификации, да еще и с обновляемой ОС.
Преимущество сменного планшета
Робот со сменным планшетом имеет еще одно, неочевидное с первого взгляда, преимущество: его можно расположить как горизонтально, так и вертикально. Что это дает? Дело в том, что матрица видео сенсора в камере имеет определенное соотношение сторон, например, 16:9. Если монитор вашего компьютера, который управляет роботом, имеет такое же соотношение сторон, а положение камеры и положение монитора совпадают (оба расположены, например, горизонтально), то изображение с камеры целиком отображается на экране. Однако, если планшет в роботе (или, что то же самое, камера) расположены вертикально, а монитор — горизонтально, то справа и слева от видео вы увидите большие черные полосы, занимающие большую часть экрана, и это будет выглядеть примерно вот так (https://www.youtube.com/watch? v=eXro2yj9JgI):
Так выглядит изображение из робота при несогласованности соотношения сторон камеры и монитора
Если же мы попытаемся растянуть изображение по ширине, то часть изображения будет обрезана по вертикали. Единственный корректный выход — согласовать положение монитора и положение камеры в роботе. А именно, если вы используете настольный компьютер, у которого экран расположен горизонтально, то и в роботе планшет должен быть расположен горизонтально. Если же вы используете смартфон, который удобно держать вертикально, то и в роботе планшет надо расположить вертикально. Возможность смены положения планшета имеется только в роботе BotEyes.
Дополнительным преимуществом применения сменного планшета является возможность установить на него любую привычную программу типа Skype или Zoom вместо приложения по умолчанию.
Возможность смены планшета также сильно экономит деньги покупателя, поскольку в зависимости от его требований в робот можно поставить недорогой планшет стоимостью 300 долл. или дорогой за 1500 долл.
Размеры планшета
Размер планшета определяет, насколько детально вы можете рассмотреть удаленную сцену. Обычно в роботах используют экраны размером 10 дюймов. Необходимый размер зависит от того, с какой целью вы используете робота. Достоинством роботов со сменным планшетом является возможность использования любых планшетов, например, от 8 до 12 дюймов (см. рис. ниже).
Сменный планшета в универсальном держателе
Варианты управления движением
Большинство роботов для управления движением используют четыре стрелки: «вперед», «назад», «влево», «вправо». Скорость либо не регулируется вообще, либо для ее изменения нужно остановить робота, изменить скорость и затем возобновить движение. Такой подход удобен, когда нужно перевести робота на большое расстояние в просторном помещении. Однако, если вы находитесь в комнате, где много людей или стульев, такое управление требует множества лишних манипуляций, робот теряет маневренность.
В некоторых роботах используется так называемый «круг управления», который позволяет изменять скорость и направление движения плавно, без остановки робота:
Круг управление движением робота
Если указатель мыши (или палец на сенсорном экране) расположен близко к центру круга, скорость минимальная или нулевая, чем дальше от центра, тем больше скорость. Стрелки указывают направление движения робота в момент, когда указатель мыши находится в секторе со стрелкой. Круг делается прозрачным, чтобы основное изображение было видно сквозь него, линии — полупрозрачными.
Такой орган управления делает робота высоко маневренным, позволяет двигаться, не задевая даже очень близко расположенные предметы. Это особенно полезно, когда робот едет по производственному цеху, где на полу может лежать много как крупных, так и мелких предметов.
Click-To-Drive + Self-Driving
Этот уникальный способ управления движением предложен фирмой Double Robotics. Суть его в том, что пользователь указывает точку на полу, в которую должен переехать робот, и он перемещается в нее автоматически, избегая по пути препятствия с помощью системы сенсоров. Это свойство выглядит очень интересным, но имеет ряд ограничений.
Во-первых, хотя технология RealSense, использованная для отображения 3D сцены, должна работать на дистанции до 10 м, на самом деле робот распознает сцену на гораздо меньшем расстоянии, после прохождения которого он останавливается и движение нужно начинать заново. Т.е. вместо того, чтобы один раз нажать стрелку «вперед» и ехать сколько нужно, в случае Click-To-Drive может потребоваться многократно указывать роботу новое место назначения. На скриншоте, который мы сняли во время нашего удаленного тура по Британской картинной галерее (см. рисунок ниже), видна площадь светлых точек на полу — это область, в которой работает технология click-to-drive. Длина области составляет примерно два-три метра.
Размер области, в пределах которой работала технология click-to-drive во время нашего эксперимента
При хорошем освещении и просторных помещениях этот способ достаточно удобен и почти незаменим в случае, когда робот не способен наклонить голову, чтобы увидеть препятствие рядом с колесами.
Вторым недостатком является невозможность езды в тесном помещении с множеством препятствий, поскольку ультразвуковых сенсоров расстояния недостаточно для обнаружения, например, мелких или тонких высоких предметов, а также точного определения границ крупных предметов. Для ориентации в таких условиях необходимо использовать сканирующий лидар, который, однако, очень дорого стоит.
Следует также отметить, что проблема управления движением существует только при первоначальном тестировании робота людьми без опыта. Если же человек использует робота регулярно, то проблемы управления движением полностью исчезают, поскольку это слишком просто.
Устойчивость к падениям и высота робота
Идеальный робот телеприсутствия должен быть легким и высоким, чтобы человеку не нужно было наклоняться для просмотра изображения на экране. Но удержать планшет на высоком и подвижном шесте можно только с помощью автоматической балансировки. Поэтому очевиден огромный соблазн сделать робота по принципу сегвея. Однако это желание порождает большое количество технических проблем, описанных ниже.
Самая главная проблема в том, что двухколесные роботы падают, и это приводит к порче планшета, который стоит часто дороже самого робота. Это происходит в случае, когда робот задевает одним колесом, например, диван, а второе продолжает ехать, или при переезде дверного порожка.
Вторая проблема состоит в поперечной устойчивости. Когда человек едет на сегвее, он движением своего тела обеспечивает поперечную устойчивость. В случае робота необходимо делать вторую систему автобалансировки — поперечную, наряду с продольной. По этой причине первые двухколесные роботы, не имеющие поперечной балансировки, не могли без падения переехать даже провод, лежащий на полу. Последние версии таких роботов имеют систему поперечной балансировки и стали намного устойчивее первых версий, однако, они все равно падают(из моего личного опыта) при переезде даже невысоких порожков, если колеса переезжают порожек не одновременно.
Третья проблема состоит в том, что в таких роботах сложно реализовать наклон планшета, поскольку датчик наклона, обеспечивающий балансировку, находится в самом планшете. Кроме того, усложняется сам алгоритм балансировки. Для компенсации невозможности изменять направление обзора с помощь наклона планшета используется камера типа «рыбий глаз», которая позволяет видеть, что находится внизу робота. К сожалению, такая камера сильно искажает пространство и порождает дискомфорт оператора.
Четвертая проблема состоит в том, что вследствие инерционности всей системы и ограниченного быстродействия двигателей робот во время начала движения и после остановки наклоняется назад и вперед, что также вызывает психологический дискомфорт.
Все эти недостатки и проблемы компенсируются тем, что двухколесные роботы являются самыми легкими на рынке, что очень удобно при их транспортировке.
Противоположные свойства и проблемы характерны для трех- и четырехколесных роботов. Проблему устойчивости они решают гораздо проще: с помощью увеличенной площади основания и увеличенного веса шасси. Такой подход сразу позволяет решить ряд проблем двухколесных роботов: наклон планшета на любой угол, легкий осмотр пространства вокруг колес, отсутствие необходимости линзы «рыбий глаз» для камеры, наличие поперечной и продольной устойчивости одновременно, возможность преодоления довольно высоких порогов. Платой за это является больший вес, большие расходы на транспортировку, большие габариты основания.
Наклон головы
Для того, чтобы объезжать препятствия, оператор должен их видеть. Роботы телеприсутствия используют для этого два способа: вторую камеру, которая показывает пространство вокруг колес, и наклон камеры или планшета.
Недостатком варианта со второй (навигационной) камерой является уменьшение полезной площади экрана. На фото ниже показано, как примерно выглядит экран оператора такого робота:
Внизу видно изображение от навигационной камеры
Есть варианты, когда вид на колеса накладывается на вид от основной камеры. При этом площадь основного изображения становится больше, но все равно его часть занимает вид от навигационной камеры.
В случае, если для осмотра пола наклоняется планшет, такого эффекта нет и полезное изображение занимает всю площадь экрана:
При использовании наклоняемой камеры основной вид занимает всю площадь экрана
Использование наклоняемой камеры одновременно для навигации и основной цели оправдано, поскольку объезд препятствий занимает незначительную долю общего времени использования камеры.
Второе преимущество состоит в том, что задняя камера планшета оказывается свободной и ее можно использовать для осмотра сцены позади робота путем быстрого переключения камер. Кроме того, задняя камера у большинства планшетов имеет гораздо большее разрешение и это можно использовать, например, для чтения текста на школьной доске.
Есть еще полезный психологический эффект от возможности наклонять планшет: наклон можно сделать таким, что у собеседников возникает ощущение, что они смотрят друг другу в глаза. Это очень важно.
Тип аккумулятора
Тип аккумулятора влияет на три характеристики робота: безопасность, время работы без подзарядки и устойчивость.
Литиевые аккумуляторы, используемые в подавляющем большинстве роботов телеприсутствия, опасны по воспламенению. Несмотря на энергичные усилия, предпринятые в последние годы при их конструировании и производстве, несмотря на наличие защиты от перезарядки, короткого замыкания, балансировку, до сих пор бывают случаи их взрыва и возгорания. Список инцидентов можно посмотреть на сайте Департамента транспорта США и они продолжаются по сей день. Поэтому применение непроливаемых свинцово-кислотных аккумуляторов в роботах телеприсутствия с точки зрения безопасности является более предпочтительным.
Из документов о безопасности следует также, что чем выше емкость литиевого аккумулятора, тем большая энергия выделяется при его возгорании и тем тяжелее последствия. Поэтому к перевозке воздушным транспортом допущены только аккумуляторы мощностью менее 100 Вт-час. Мы думаем, что именно это обстоятельство ограничивает продолжительность работы многих роботов телеприсутствия пятью часами. В отличие от этого, роботы со свинцово-кислотными аккумуляторами являются безопасными, поэтому на их емкость не накладывается ограничений при транспортировке и в робот можно установить аккумулятор любой емкости.
Большой вес свинцово-кислотных аккумуляторов, расположенных в нижней части шасси, обеспечивает также хорошую устойчивость робота.
Громкость звука
В современных планшетах установлены мощные динамики и их мощности достаточно для общения с отдельным человеком в нешумном окружении. Однако в многолюдном шумном помещении (например, на выставке) необходим мощный звук. Его можно получить с помощью дополнительного внешнего Bluetooth громкоговорителя. У некоторых роботов такие громкоговорители уже установлены в самом роботе. Однако и их мощности может быть недостаточно. Наши эксперименты с пятью типами покупных внешних громкоговорителей с Bluetooth показали, что они существенно усиливают звук по сравнению с динамиками смартфонов, однако практически не увеличивают громкость звучания планшетов. Поэтому в тех случаях, когда для выступающего на митинге нужна мощная акустика, такой же мощности аппаратура нужна и роботу.
Выбор средства видео коммуникации
Современные роботы телеприсутствия, практически все без исключения, используют технологию Google WebRTC. Однако существует также такие общепринятые для видео коммуникации средства, как Skype, Zoom, Google Hangout и др. Особенностью их применения является то, что в их пользовательский интерфейс невозможно встроить органы управления движением робота. В таком случае делают второе приложение, которое управляет движением независимо от приложения для видео связи. При использовании десктопного компьютера два приложения легко открыть на одном экране, однако в случае мобильных устройств это не всегда возможно и доставляет некоторые неудобства. Из известных нам роботов только BotEyes позволяет использовать сторонние приложения для видео связи помимо приложения на базе WebRTC.
При использовании Skype удаленную сцену можно просматривать на экране современного телевизора. Управление движением робота в этом случае осуществляется из любого гаджета, например, смартфона.
Автоматическая установка в док
Все рассматриваемые роботы имеют функцию автоматической установки в док с расстояния около метра от док-станции. Делают они это путем распознавания изображения док-станции, что требует хорошего ее освещения.
Следует отметить, что эта функция имеет скорее рекламную цель, нежели практическую, поскольку установка в док вручную не создает неудобств для пользователя по сравнению с автоматической, которая к тому же не имеет 100%-ной надежности.
Сторожевой таймер
Робот едет, когда вы нажали на кнопку «вперед» и останавливается, когда кнопка отжата. Представьте теперь, что интернет-связь разорвалась до того, как вы отжали кнопку. Робот будет ехать без остановки. То же самое произойдет при зависании программы в компьютере, в браузере или приложении, из которого вы управляете роботом. Такие проблемы давно известны в области систем автоматического управления и решаются с помощью сторожевого таймера.
Работает сторожевой таймер следующим образом: контроллер, управляемый движением, вырабатывает короткие импульсы (порядка 1 сек), в течение которых двигатели работают. Если импульсы пропадают, двигатели останавливаются. Для непрерывного движения из браузера пользователя должна поступать серия импульсов, запускающих импульсы в таймере контроллера, если все работает исправно. При выходе из строя любого звена на пути передачи запускающих импульсов двигатели останавливаются через 1 сек. Аналогичная система может иметь несколько уровней иерархии и называется многоуровневым сторожевым таймером.
Совместимость с различными гаджетами
При выборе робота телеприсутствия следует обращать внимание, с какими ОС и марками гаджетов он может работать. Например, некоторые роботы работают только с iPad и не работают с планшетами на базе Андроид, некоторые не могут управляться из десктопных компьютеров.
Увеличение видео
Увеличение видео позволяет рассмотреть мелкие детали, например, текст, написанный на доске. Увеличение может быть цифровым и оптическим. Наиболее эффективно и надежно оптическое увеличение, которое реализуется с помощью системы линз и микромоторов. Функцию увеличения имеют все рассматриваемые роботы, однако наилучшим образом она работает у робота Double 3.
Переключение камер
Переключение с передней камеры на заднюю и обратно не только удобно для улучшения обзора окружающего пространства, но и дает возможность воспользоваться задней камерой планшета, которая имеет намного большее разрешение, чем передняя. Такую возможность имеет только робот BotEyes.
Запись и сохранение видео и изображения
Запись видео и фото — одна из редких функций робота телеприсутствия и ее часто можно заменить сторонними программами, которые записывают видео с экрана и делают его снимки. Записывать полезно, например, урок в школе или доклад на конференции, чтобы просмотреть его повторно.
Демонстрация экрана
Демонстрация экрана позволяет открыть любой файл (фото, видео, чертежи, текст) на экране пользователя и показать его на экране робота. Это редкая функция и она реализована не во всех роботах.
Заключение
Роботы телеприсутствия существенно различаются своими характеристиками и ценой, поэтому перед приобретением робота необходимо четко понять, для чего он вам нужен и в зависимости от этого выбрать робота с необходимым набором технических характеристик. Нужно также помнить, что производители роботов умышленно указывают не все характеристики или указывают их неправильным образом. Поэтому желательно понимать, что и как должно работать и как оно работает в выбраном вами роботе.
