Préparer les robots pour le monde réel

Dans un entrepôt jaune délavé d'Albany Street, le robot Atlas s'allume. Cette machine humanoïde imposante, mesurant six pieds deux pouces de haut et pesant 330 livres, se déclenche avec un bourdonnement puissant et aigu provenant d'une pompe qui met sous pression le fluide pour ses joints hydrauliques. Suspendu juste au-dessus du sol par une attache, il commence à bouger ses pieds et ses bras, dans le cadre d'une routine pour calibrer les actionneurs de ses 28 articulations.

Helios, le robot Atlas du MIT, est un concurrent du DARPA Robotics Challenge.

C'est un peu comme l'étirement du matin, explique Scott Kuindersma, postdoctorant au Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL) du MIT.

Alors que le robot est abaissé au sol, Pat Marion, un chercheur collaborateur qui commencera à travailler sur son doctorat en génie électrique et informatique (EECS) cet automne, est assis devant un ensemble d'écrans d'ordinateur placés à plusieurs mètres et regarde le monde à travers les yeux du robot - ou plutôt, des caméras et des lidars attachés à sa tête et à sa poitrine. Un écran combine une vue fish-eye basse résolution de la pièce avec une image étroite et détaillée d'une caméra stéréo. Sur un autre écran, un rendu en noir et blanc de la pièce créé par un capteur laser. En quelques clics, Marion donne au robot un objectif de marche, indiquant un point sur l'écran devant son image virtuelle ; le système répond avec un ensemble suggéré de pas virtuels à l'écran. Le robot bouge lentement ses pieds, déplaçant son poids d'un côté à l'autre à chaque pas tandis que sa pompe hydraulique gémit. Après avoir atteint un support métallique renversé, Marion lui ordonne de ramasser une planche de bois appuyée contre le support. Avec une main en forme de griffe, le robot saisit soigneusement la planche, la soulève et balance son bras vers la droite, laissant le bois claquer au sol. Une tâche accomplie pour la journée.

Le robot a été programmé par une équipe d'étudiants, de post-doctorants et de membres du corps professoral dirigée par le professeur EECS Seth Teller et Russ Tedrake, PhD '04, un professeur agrégé avec une double nomination en EECS et en aéronautique et astronautique. L'équipe représente le MIT dans le défi robotique de l'US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), un tournoi pluriannuel conçu pour accélérer le développement de robots qui pourraient aider les humains dans les efforts de secours en cas de catastrophe et les scénarios d'urgence du monde réel - des robots qui auraient pu disparaître dans la centrale nucléaire de Fukushima après sa triple fusion, par exemple, afin que les travailleurs humains ne soient pas exposés à des radiations nocives. Le concours offrait deux pistes aux équipes du milieu universitaire, de l'industrie et du gouvernement : certaines ont construit leurs propres robots, tandis que d'autres équipes, y compris celles du MIT, se sont concentrées sur le développement de logiciels pour contrôler le robot Atlas, conçu et construit par la société dérivée du MIT, Boston Dynamics. (Basé à Waltham, Massachusetts, Boston Dynamics a été cofondé par Marc Raibert, PhD '77, ancien professeur de l'EECS et membre du AI Lab du MIT. Google a acheté l'entreprise pour un montant non divulgué l'année dernière.)

Le DARPA Robotics Challenge (DRC) comporte trois étapes. Dans le premier, les équipes logicielles ont utilisé leurs programmes pour guider un Atlas simulé à travers plusieurs tâches lors d'un défi de robotique virtuelle organisé en juin 2013. Lors des essais de la RDC en décembre 2013, les équipes se sont réunies sur un hippodrome en Floride pour tester les capacités de vrais robots. – et de gagner le droit de concourir pour un prix de 2 millions de dollars lors de la troisième étape de la compétition, la finale de la RDC en 2015.

Un défi irrésistible
À première vue, les tâches des robots pour les essais semblent étonnamment simples : ouvrir des portes, monter sur une échelle, manipuler un tuyau et actionner des vannes, entre autres. Un premier intervenant humain pouvait faire n'importe laquelle de ces choses en quelques secondes, et le puissant Atlas était certainement physiquement capable de les accomplir. Mais c'est un énorme défi de concevoir et de programmer un robot capable de naviguer et de manipuler des objets sur un site de catastrophe, où les conditions sont désordonnées et la communication inégale. Bien que les robots d'usine effectuent régulièrement des tâches complexes, ils sont programmés pour bien faire une chose dans un environnement explicitement conçu pour cela.

Le monde réel est un endroit impitoyable, dit Teller. Il est impossible d'anticiper les conditions que les robots rencontreront, ils doivent donc devenir beaucoup plus réactifs et adaptables. Ce n'est pas que vous concevez le monde pour aider le robot, dit-il. Vous concevez le robot pour aller dans le monde pour faire le travail qui doit être fait.

Maurice Fallon, Seth Teller (en majuscule) et Pat Marion examinent les images dérivées des données du capteur d'Helios lors des essais en Floride et délibèrent sur la manière de procéder pendant la tâche du tuyau.

Teller et Tedrake ont décidé de former une équipe en RDC au début de 2012, alors que les discussions sur la compétition se répandaient dans la communauté robotique. Leurs compétences sont complémentaires. Teller, qui dirige le groupe Robotique, vision et réseaux de capteurs au CSAIL, s'attache à aider les machines à détecter leur environnement et à interagir avec les gens ; Tedrake, qui dirige le groupe Robot Locomotion de CSAIL, se concentre sur le contrôle des mouvements, en particulier la marche.

Les chercheurs – et les étudiants – désireux d'aider ne manquaient pas. L'effort de la RDC a toute l'excitation d'un projet de recherche typique, ainsi que l'intensité supplémentaire de délais serrés et d'une compétition internationale à haute visibilité sur des tâches concrètes, dit Teller. Avec des dates strictes pour les compétitions, il n'y a pas de temps pour atteindre la perfection et peu de marge de manœuvre si quelque chose ne fonctionne pas correctement. Teller et Tedrake ont recruté le chercheur Maurice Fallon pour diriger les travaux sur la perception du robot et Kuindersma pour être en charge de la planification et du contrôle. Teller a également fait appel à Matthew Antone '95, MEng '96, PhD '01, qui avait travaillé avec lui dans l'équipe du DARPA Urban Challenge du MIT en 2006-2007 pour développer des véhicules autonomes, tandis que le postdoc Sisir Karumanchi a fourni un soutien précoce dans le développement de logiciels pour manipuler des objets. . Eux et d'autres du MIT se sont précipités pour répondre à la DARPA avec une proposition formelle d'ici la fin du mois de mai. (Marion, une ingénieure en logiciel accomplie, rejoindra l'équipe plus tard pour diriger le développement de l'interface opérateur-robot.) Au total, l'équipe comprend 12 étudiants et 12 professeurs, postdoctorants et membres du personnel de CSAIL ; les départements EECS, Génie Mécanique et Aéro-Astro ; et le Centre de génie océanique.

Au moment où la RDC a officiellement commencé en octobre 2012 avec l'arrivée de 375 000 $ de financement initial de la DARPA et une réunion de lancement à l'agence, l'équipe du MIT avait déjà passé six mois à collecter des fonds, à effectuer des études de conception et de mise en œuvre préliminaires et à rechercher des espaces de laboratoire appropriés. autour du campus.

Le but de la compétition n'est pas d'amener les robots à penser et à agir par eux-mêmes. Mais Teller dit que dès le début, la stratégie de l'équipe du MIT s'est concentrée sur le transfert de nombreuses décisions de bas niveau vers le robot. Même si la DARPA fournirait des informations explicites sur la configuration de chaque tâche, dit Teller, ils ont choisi de ne pas programmer le robot pour faire chacune d'entre elles, et de ne pas faire garder chaque mouvement par un humain.

Au lieu de cela, ils voulaient un va-et-vient entre l'homme et le robot. L'opérateur évaluerait les informations sensorielles du robot et déciderait quoi faire. Le logiciel du robot développerait alors un plan de mouvement pour accomplir la tâche, que l'humain pourrait approuver ou ajuster. Chaque décision serait prise à la volée.

Parce que le monde réel est imprévisible, vous ne pouvez pas simplement avoir un plan en conserve et vous attendre à ce qu'il réussisse, dit Teller. Lui et ses coéquipiers étaient convaincus que leur système flexible serait finalement le plus efficace, réduisant la puissance cérébrale requise pour chaque étape. Mais ils avaient beaucoup de travail à faire.

Première étape : votre logiciel est-il digne d'un atlas ?
Dans les semaines qui ont précédé le Virtual Robotics Challenge (VRC), les membres de l'équipe ont campé 24 heures sur 24 dans le laboratoire CSAIL du Stata Center, se nourrissant d'une sélection rotative de Pop-Tarts, de fruits et de plats à emporter tout en essayant d'anticiper les problèmes. qui pourraient survenir dans la simulation et développer des solutions de contournement. Les 18, 19 et 20 juin, plus de deux douzaines d'équipes ont participé à des simulations VRC dans leurs propres laboratoires. Chez CSAIL, les opérateurs de chaque tâche se séquestraient dans un bureau annexe et se concentraient intensément sur un rendu du robot virtuel alors qu'ils mettaient leur logiciel à l'épreuve ; d'autres membres de l'équipe ont regardé leurs progrès sur un lien vidéo à l'extérieur.

Hélios marque dans la tâche d'échelle.

La préparation de l'équipe a payé. Dans la plupart des cas, le fait que le logiciel planifie les mouvements du robot a fonctionné. Mais pour faire bonne mesure, quelques mouvements ont été scénarisés dans le logiciel pour aider le robot virtuel à se sortir de situations difficiles. L'étudiant diplômé Andrés Valenzuela, SM '11, a compris comment le faire ramper, par exemple, ce qui s'est avéré utile; il est tombé pendant la compétition et a rampé jusqu'à la ligne d'arrivée juste à l'expiration du temps imparti.

Lorsque la DARPA a annoncé les résultats des essais virtuels, le MIT a terminé troisième sur 26 équipes. Les chercheurs avaient franchi le premier obstacle majeur, remportant un financement supplémentaire de 750 000 $ et une place aux essais de décembre en RDC. Il ne leur restait plus qu'à transférer leur succès virtuel dans une machine de 330 livres.

Apprendre à connaître le robot
Avec les essais logiciels derrière eux, les membres de l'équipe du MIT ont planifié leurs vacances d'été autour du dévoilement très attendu en août de leur Atlas durement gagné. Une équipe de Boston Dynamics est arrivée à l'entrepôt d'Albany Street (espace emprunté au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes, car la machinerie est trop bruyante pour les laboratoires du CSAIL et trop salissante - elle coulerait du liquide hydraulique sur les tapis ). Ils ont délicatement déballé le robot, qu'ils avaient nommé Hélios, et l'ont hissé d'une grande caisse d'expédition en bois.

Pour tous les membres de l'équipe, ce fut une merveilleuse occasion de voir les algorithmes qu'ils développent incarnés dans l'un des robots humanoïdes les plus avancés jamais créés. En fait, cette opportunité était un tirage au sort majeur pour Tedrake lui-même. Je voulais jouer avec ce robot, dit-il. Avec un laboratoire axé sur la conception de systèmes de contrôle plutôt que sur la construction de matériel coûteux, ajoute-t-il, il ne construirait jamais quelque chose d'aussi beau que ce robot.

Mais le temps était compté : il ne restait que quatre mois pour préparer les essais de la RDC en Floride, qui auraient lieu fin décembre. L'équipe devrait se classer parmi les huit premières de ces essais pour recevoir un financement de 1 million de dollars de la DARPA afin de poursuivre le travail et de concourir pour le prix de 2 millions de dollars lors de la finale de la RDC.

Une grande partie du logiciel que les chercheurs avaient développé pour le simulateur a été transférée de manière transparente au robot, bien que ses systèmes de commande de moteur de bas niveau aient nécessité des ajustements. Mais alors qu'ils pouvaient faire sortir leur robot simulé d'une mauvaise situation, le délicat et coûteux Atlas avait besoin d'attaches de sécurité pour l'empêcher de tomber. De temps en temps, le robot projetait du fluide hydraulique sous pression dans l'air, de sorte que les membres de l'équipe portaient des lunettes de sécurité et se tenaient derrière du plexiglas. Et c'était incroyablement bruyant : Tedrake a acheté des écouteurs antibruit pour les personnes qui avaient besoin d'une pause.

Un membre de l'équipe a été désigné comme opérateur principal du robot pour chaque tâche qu'il devrait effectuer en Floride, tandis qu'un autre était sur place pour aider le robot à percevoir son environnement. Compte tenu des informations visuelles des caméras et des capteurs du robot, l'ailier de perception pourrait l'aider à identifier un objet d'intérêt - une perceuse, par exemple, ou une poignée de porte. Le robot pouvait alors accéder à des informations préprogrammées sur ce qu'étaient les perceuses et les poignées de porte et comment les saisir et les manipuler.

À quelques semaines des essais, le logiciel était en place et l'équipe s'est concentrée sur pratiquant . Avec de nombreux étudiants jonglant avec les finales, les membres se sont réunis dans l'entrepôt étouffant à sept heures du matin, se chronométrant pendant qu'ils exécutaient le robot à travers chaque tâche et espérant que ce qu'ils avaient accompli en laboratoire serait transféré dans un cadre extérieur. Après une brève incursion sur le trottoir d'Albany Street par une matinée sous le point de congélation - la première opération du robot à l'extérieur - ils ont soigneusement emballé Helios et leur équipement dans un camion et l'ont envoyé en Floride.

Deuxième étape : des robots sur le circuit de course
La foule rassemblée au Homestead-Miami Speedway les 20 et 21 décembre était décidément plus geek que les fans de NASCAR qui occupaient habituellement les sièges. Mais l'anticipation était tout aussi élevée que les spectateurs qui attendaient de voir les meilleurs roboticiens du monde et leurs machines s'affronter. Chacune des 16 équipes (certaines financées par la DARPA et d'autres autofinancées) avait une station de contrôle installée dans les voies des stands, où les membres contrôlaient à distance leur robot alors qu'il concourait pour des points dans huit tâches différentes : conduire un véhicule, marcher sur des routes cahoteuses terrain, grimper sur une échelle, dégager des débris, ouvrir une série de portes, découper une forme dans un mur avec une perceuse sans fil, tourner une vanne et manipuler un tuyau. Dans ces tâches, une équipe pouvait recevoir un point pour chacune des trois sous-tâches et un point bonus pour avoir effectué les trois sans intervention. Pour simuler un scénario catastrophe, la communication entre les équipes et leurs robots était périodiquement ralentie à un signal à faible bande passante.

Même si les équipes avaient reçu des descriptions explicites des tâches à l'avance afin qu'elles puissent s'entraîner, les essais ont montré à quel point les choses deviennent difficiles lorsque les conditions ne sont pas parfaitement contrôlées. Le cadre extérieur a introduit de nouvelles variables : un soleil éclatant, de fortes brises et des températures étonnamment chaudes pour décembre, provoquant une surchauffe des ordinateurs portables.

Helio est sécurisé dans un VTT pour la tâche du véhicule par Maurice Fallon (à gauche) et Scott Kuindersma.

L'équipe Schaft, représentant une société dérivée de l'Université de Tokyo qui a également été acquise par Google juste avant l'événement, a été le grand gagnant : le robot qu'elle a conçu a effectué des tâches avec des mouvements fluides. Pour la plupart, cependant, les essais ont été une vérification de la réalité importante pour quiconque était habitué à voir des robots humanoïdes charger sur des écrans de cinéma. Bien que l'événement ait eu lieu sur une piste de course construite pour la vitesse, il ressemblait plus à une compétition de tai-chi extrêmement lent. Les machines marchaient avec précaution sur les débris, luttaient pour ouvrir les portes et escaladaient les échelles avec une atroce délibération.

Certaines choses ne se sont tout simplement pas déroulées comme prévu. Lors de leur premier essai, Fallon et Marion guidaient Helios dans une tâche qui impliquait de retirer 10 morceaux de bois pour dégager un chemin vers une porte (ils obtiendraient un point pour les cinq premiers morceaux et un pour les cinq suivants). Fallon venait de faire en sorte que le robot dégage la cinquième planche lorsque le bois rebondit et retomba devant. Le temps était trop court pour terminer la tâche comme prévu, mais il a pu retirer le robot de la trajectoire prévue pour écarter le bois égaré et capturer un point. Aussi petit et insignifiant que cela puisse paraître, ce fut une grande réussite pour nous, dit-il. Plus tard, Helios est tombé en essayant de franchir trois portes et en montant une échelle. Mais l'équipe a remporté l'ensemble des points pour les tâches de forage et de vanne.

Pour les équipes en compétition, démontrer ne serait-ce que certaines de ces compétences était gratifiant. Gill Pratt '83, SM '87, PhD '90, responsable de programme au Bureau des sciences de la défense de la DARPA, déclare que malgré les difficultés rencontrées par les équipes, les essais ont dépassé ses attentes. Nous nous attendions à ce que la meilleure équipe obtienne environ la moitié des points, dit-il. L'équipe Schaft a balayé la compétition avec 27 points sur 32 possibles. Une équipe du Florida Institute for Human and Machine Cognition (IHMC) a remporté la deuxième place avec un robot Atlas, et l'Université Carnegie Mellon est arrivée troisième avec un robot appelé CHIMP (pour CMU high intelligent mobile platform). AVEC est arrivé quatrième, remportant 16 points. Certaines des équipes avec des robots auto-conçus, dont un conçu par le Johnson Space Center de la NASA, n'ont réussi à terminer aucune des tâches à temps.

Bien qu'une partie de la couverture médiatique des essais en Floride se soit concentrée sur l'intelligence des robots, en réalité, chaque mouvement était chorégraphié par des opérateurs humains. Ce n'est pas parce que le corps ressemble à un être humain ou à un animal que le cerveau du robot est aussi bon, dit Pratt. Bien que les robots soient de plus en plus capables de planifier et d'exécuter eux-mêmes les détails de leurs mouvements, ce sont toujours les humains qui réfléchissent le plus.

Mais différentes équipes avaient différentes manières de gérer la communication entre l'homme et la machine. Le MIT avait une interface homme-machine particulièrement bien conçue, dit Pratt. L'équipe avait notamment créé un logiciel permettant aux opérateurs d'aider rapidement le robot à percevoir des objets importants dans son environnement. Lorsqu'une interface est bien conçue, dit-il, l'opérateur peut accomplir plus avec moins de travail. Alors que de nombreuses autres équipes utilisaient des commandes de type joystick pour manipuler le robot, dit Teller, l'équipe du MIT a adopté une approche plus informatique et moins manuelle. L'idée est de donner au robot des commandes de plus en plus évoluées et, à terme, de développer des machines qui dépendent de moins en moins d'un opérateur hautement qualifié pour tirer les ficelles.

Lors des essais en Floride, Helios réussit la tâche des vannes, marchant jusqu'à trois types différents de vannes murales et les actionnant.

Bien que les essais aient été intenses, Teller dit qu'ils étaient étonnamment amusants. c'était la première fois que des équipes qui travaillaient depuis des mois sur leurs propres projets avaient l'occasion de se rencontrer et d'exposer leur travail. Bien qu'ils soient concurrents, ils se sont retrouvés à s'entraider et à se prêter des pièces. Et même si le robot du MIT a été battu par certains des autres, sa solide finition a permis à l'équipe de gagner 1 million de dollars supplémentaires pour poursuivre son travail vers la finale de la RDC, qui aura probablement lieu au printemps prochain.

Troisième étape : se préparer pour une confrontation finale
Helios est maintenant de retour chez lui sur Albany Street, et l'équipe du MIT dispose enfin d'une période de temps prolongée pour améliorer son système. Pour les prochaines finales, l'équipe pousse encore plus loin l'autonomie du robot. Les liens de communication entre les humains et les robots peuvent être ralentis de manière plus spectaculaire et entièrement coupés de temps en temps, de sorte que les chercheurs tentent de donner à leur machine une autonomie au niveau des tâches, ce qui signifie qu'elle pourrait réussir à ramasser un tuyau ou à ouvrir une porte par elle-même. . Lors d'une démonstration récente, Marion a demandé à l'Atlas de s'approcher d'une table, d'en ramasser quatre objets et de les déposer dans un seau, le tout en réponse à une simple commande go.

Pratt dit que la finale sera également plus difficile à d'autres égards. Les attaches de sécurité qui maintenaient les robots debout s'ils perdaient l'équilibre ont probablement disparu ; les robots devront se relever s'ils tombent. Au lieu d'être câblées sur une source d'alimentation, les machines devront transporter leurs propres réserves de puissance. Et ils devront naviguer dans un ensemble de tâches plus continu. Cela demandera à l'équipe du MIT de rendre Helios encore plus fluide dans ses déplacements et mieux capable de percevoir son environnement.

Tedrake dit qu'avec le temps de développer des algorithmes plus sophistiqués, toutes les équipes seront en mesure de démontrer des mouvements dans les finales qui sont plus rapides et moins hésitants, un peu moins comme du tai-chi. Ce qui doit arriver pour rendre les robots plus dynamiques, plus gracieux, c'est qu'ils doivent mieux comprendre leur propre physique et pouvoir raisonner plus rapidement, dit-il. Teller, Tedrake et leur équipe ont déjà commencé à publier des articles sur leur approche et ont rendu public une partie de leur code source.

Même avec un logiciel qui permet aux robots de se déplacer plus rapidement et d'accomplir plus, il y aura toujours des moments où les machines trébucheront, manqueront une cible ou devront se précipiter jusqu'à la ligne d'arrivée. Les gens ont cette image des robots comme de la perfection, dit Teller, mais l'image de ces machines de chaîne de montage fonctionnant dans des conditions rigoureusement contrôlées n'est pas la façon dont ces choses vont être lorsqu'elles seront déployées dans le monde réel. Pourtant, cela fait partie du plaisir de concevoir des robots capables de gérer le désordre de la vie. Nous ne recherchons pas la perfection ici, dit-il. Nous sommes à la recherche de capacités. Les hommes et les machines peuvent-ils, en travaillant ensemble, faire le travail ?

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