Roboty, které vědcům z týmu CTU-CRAS-NORLAB zajistily úspěch v prestižní soutěži DARPA Subterranean Challenge, se postupně vracejí z USA zpět do Prahy. Český tým se mezi deseti nejlepšími robotickými týmy světa v soutěži virtuálních robotů probojoval na druhé místo a odvezl si výhru 500 tisíc dolarů. V reálném klání v komplexu MegaCavern v Kentucky se umístil šestý. Výzkumníci z ČVUT dokázali uspět i v předchozích kolech soutěže, kdy předloni obsadili první místo mezi týmy nefinancovanými přímo agenturou DARPA.
„Soutěž začala už v roce 2018 a měla několik kol. Cílem bylo vyvinout multirobotický systém, který bude schopný autonomně operovat v předem neznámých podzemních prostorech, tyto prostory zmapovat a nalézt v nich nějaké objekty. Během jednotlivých kol a v rámci přípravy na kolo finální jsme jednak postavili a navrhli nové roboty, a částečně jsme vyvinuli payload, tedy zařízení, které v sobě skrývá senzory a výpočetní techniku a roboty jej nosí jako náklad. A tento náklad dovoluje robotům operovat v neznámých podzemních terénech. A z téměř nuly jsme se posunuli do situace, kdy máme systém, který zjednodušeně řečeno můžeme zítra nasadit, kde je potřeba,“ vysvětluje mi vedoucí soutěžního týmu Tomáš Svoboda z FEL ČVUT, když se potkáváme v budově ČVUT na Karlově náměstí a vede mě do robotické laboratoře.
Soutěžní tým CTU-CRAS-NORLAB a jeho roboty.
Na zemi zde stojí trojice soutěžních zařízení. Jeden kolový robot, jeden pásový a pak „robopes“ SPOT. Jejich úkolem bylo autonomně procházet neznámé prostory, vytvářet jejich mapu, hledat konkrétní objekty a vzhledem k obecně špatnému signálu se sami ve správný čas vrátit na místo, odkud budou moci nashromážděné informace předat výzkumníkům.
„Klasicky jde o search & rescue, čili hledej a zachraň. Například je potřeba najít, zda se někde nachází člověk, a to v prostředí, které je pro lidské záchranáře nebezpečné či obtížně přístupné. Algoritmy, které jsme při práci na projektu vyvinuli, ale jsou použitelné i v obecnější úloze, kdekoliv je potřeba, aby robot působil autonomně, sám se vyhýbal překážkám, sám se vrátil na původní místo a tak podobně. Možnosti jsou hodně otevřené,“ říká Svoboda a dodává, že ačkoliv pro člověka je úloha „jdi do nějakého prostředí, překonej překážky a najdi nějaký objekt“ poměrně snadno představitelná, do světa algoritmů se převádí velmi obtížně.
„My lidé někam zjednodušeně řečeno vejdeme, rozhlédneme se a rozhodneme se, kam jít, podle toho, která cesta se nám zdá jako nejvhodnější. Tato věta je ale velmi obtížně algoritmizovatelná do strojového jazyka. Robot o prostoru nic neví, takže si naměří, co přímo vidí a na hranici svého poznání se musí sám rozhodnout, který hraniční bod je pro něj nejvhodnější a ke kterému se vydá. Například optimalizuje šanci, že detekuje hledané objekty, nebo maximalizuje zmapovatelný prostor,“ popisuje.
„Další věc je, že lidé vynikají v průchodu obtížným terénem. Když je na cestě kámen, člověk jej uvidí, zvedne nohu, stoupne na něj, balancuje, udržuje rovnováhu, někdy se opře rukou. A toto všechno je pro autonomní stroje velmi obtížné, stejně jako určit, která překážka je pro ně ještě překonatelná. A samostatnou otázkou je tvorba mapy. Ta postupně ztrácí přesnost, protože se při mapování akumulují chyby. A odchylka může dosáhnout té míry, že robot neví, kde je,“ říká Svoboda, ale zároveň dodává, že v tvorbě map roboty člověka přece jen překonávají.
„Kdybychom vešli do neznámého temného prostoru, kde všechny stěny vypadají stejně, tak se párkrát zatočíme a stejně nebudeme vědět, kde jsme. Robot si ale dokáže mapu tvořit mnohem přesněji než člověk, a dokáže tak najít cestu ven lépe. Když lidi a roboty srovnáme, tak lidé jsou zatím lepší v lokální reakci na dané podmínky, tedy jak vylézt na překážku a jak se tam udržet. A robot zase vyniká v systematičnosti, kdy si dokáže měřit, jak velký prostor už prozkoumal, jestli nechodí v kruzích a má dobré senzory. Robot dokáže objekty najít lépe.“
Robopes s „batůžkem“
V laboratoři na nás čeká další člen soutěžního týmu Bedřich Himmel z FEL ČVUT, který v rukou drží ovladač SPOTa. Zapíná robopsa a ten svým typickým poklusem začíná pobíhat po místnosti. Na první pohled je ale patrné, že se tento robot od běžné produkce z dílen Boston Dynamics něčím liší. Na zádech nese jakousi krabici nebo „batůžek“ s několika senzory.
Robot SPOT s „batůžkem“ se senzory a počítači.
„Takto vypadá náš SPOT vybavený pro soutěž. Tento robot představuje jednu z mála platforem, která se dá koupit jako produkt. Naše ostatní roboty jsou vývojové stavebnice, ze kterých roboty stavíme sami. Ale SPOTa si můžete koupit, vybalit ho z krabice, nabít baterky, zapnout ovladač a je připraven k provozu s tím, že už vykazuje určité známky autonomie, je schopen reprodukovat cestu, kterou mu někdo ukáže, případně se orientovat podle markerů. Ale na druhou stranu jde o uzavřený systém. Jeho lokomoci nemůžeme ovlivnit do té úrovně, že bychom mu říkali, jak má zvedat nohu a tak dále. Proto jsme vyvinuli zařízení, kterému říkáme payload nebo senzorická a výpočetní nástavba,“ vysvětluje Himmel.
Kromě senzorů jako 3D LiDAR, průmyslové kamery nebo inerciální jednotky jsou v krabici dva počítače. Standardní Intel NUC a Nvidia Jetson Xavier AGX. Se SPOTem je nástavba propojená ethernetovým kabelem RJ-45, přičemž robopes je schopen do nástavby dodávat data ze svých senzorů a zařízení na jeho zádech naopak obstarává výpočty, na základě kterých rozhoduje, kam se má robot v neznámém terénu vydat.
„SPOT má hloubkové kamery a je schopen do určité vzdálenosti asi čtyř nebo pěti metrů vnímat různé překážky. Když je v režimu řízení na dálku, je schopen se sám různým překážkám vyhýbat a nenarážet do nich. Nebo ho můžeme provést nějakým terénem, například tovární halou, a můžeme mu specifikovat cestu, kterou má procházet. On si zapamatuje, jak to kolem něj vypadá, a podle toho pak opakuje cestu. My jsme na něj navíc přidělali zařízení s počítači a senzory, díky kterému dokáže fungovat v neznámém terénu, ve kterém nikdy nebyl a musí vše vypočítávat sám,“ dodává Svoboda.
Ačkoliv SPOT představuje uzavřený systém, propojení s nástavbou vyvinutou v laboratořích ČVUT podle Himmela nepředstavovalo přímo problém. Jde ale také o nikdy nekončící práci. „Má zdokumentované API. To se ale pořád vyvíjí, stejně jako operační systém ROS, který používáme pro ovládání. Je to průběžná integrace, pokaždé se posouváme dál a pak zjistíme, že něco nefunguje, není to zdokumentované a tak dále. Je to pořád ve vývoji a pořád máme co dělat.“
Ačkoliv má SPOT řadu zajímavých funkcí, podle Svobody se často stává, že třeba špatně vyhodnotí překážku a zakopne. A jeho provoz vyžaduje značnou míru odbornosti. Výzkumníci jsou ale i tak s platformou spokojení. „Má dobré vlastnosti, třeba poměr velikosti a nosnosti. Jeho tělo je štíhlé, což je vhodné pro procházení úzkými chodbami. Chodící robot má navíc lepší manévrovatelnost, umí třeba dělat úkroky stranou, což je manévr, který se mnohdy hodí. Pohyblivost robota je hodně dobrá. Jsme s ním jako s platformou, kterou můžeme využívat pro naše experimenty s robotickou a mnoharobotickou autonomií, spokojeni.“
Chodící čtyřnohé roboty zaujaly i další týmy účastnící se soutěže DARPA, přičemž SPOT není jediný, který je dnes k dispozici. „Dalším takovým typem je třeba ANYmal, za kterým stojí spin-off výzkumníků z ETH, který používá trochu jiný design a osvědčil se. Nicméně, SPOT se dá snadno koupit, takže ho využívaly i další týmy a je to platforma, která se nabízí v případě, že řešíte úlohu, kde je potřeba robot schopný autonomně procházet nějakým prostředím,“ vysvětluje Svoboda.
Senzorická a výpočetní platforma je pro všechny roboty stejná
Výzkumníci z týmu CTU-CRAS-NORLAB si do USA vedle SPOTa přivezli i řadu dalších robotů, které vyvinuli v uplynulých letech. Osvědčil se například robot přezdívaný TRADR, který vznikl před jedenácti lety v rámci několika evropských projektů a spolupráce se záchranáři. Jde o pásovou platformu, která má vepředu i vzadu dvojice pásových „ploutví“.
Pásový robot TRADR.
„Každou z pásových ploutviček je schopný řídit autonomně. Když je v jednoduchém terénu, tak pásy sklopí do pozorovací polohy, aby jeho kamera měla co nejlepší výhled a aby jel po co nejmenší ploše pásů. A když se přiblíží k nějaké překážce nebo potřebuje najet do schodů, tak pásy naklopí tak, aby na to dobře vyjel. Navíc může ovládat a kontrolovat pevnost pásů, takže můžou být buď zcela napevno, nebo volněji a tím zajistit aktivní odpružení pro odtlumení nárazů při přechodech třeba mezi schody a další plochou,“ říká Svoboda. I tento robot veze zmíněnou platformu s počítači a senzory, která sbírá data o okolí a propočítává ideální trasu.
Český soutěžní tým v podzemí.
„Řídicí a senzorická vrstva potřebuje něco pod sebou, co ji odnese nebo odveze. Samozřejmě, každý z robotů má svá specifika, ale ulehčí nám práci, když je ten základ stejný na jednotlivých robotech. A když jsme narychlo potřebovali senzorický payload, tak jsme ho vzali ze SPOTa, přidělali ho na pásový podvozek a za jedno odpoledne tady robot jezdit a prozkoumával, což je přínos modulárního designu,“ vzpomíná Himmel.
To samé platí i pro dalšího robota na sice letitém, ale zato velmi robustním kolovém podvozku od kanadské firmy Clearpath Robotics. „Na rozdíl od SPOTa v tomto případě člověk dostane od firmy jen podvozek s elektromotorem. Mechanicky je to velmi robustní osvědčená konstrukce a mnoho laboratoří tento podvozek používá pro experimenty. My jsme navrhli vnitřní výbavu podvozku, protože robot sám nic neumí a musíte ho jinak řídit jako autíčko na ovládání. Jeho výhodou ale je, že dokáže být rychlý, takže v terénu bez schodů a překážek je kolový podvozek nejlepší, protože jeho pohyb je z hlediska energetické náročnosti nejvýhodnější. Jinak má ale stejný 3D LiDAR, všesměrové kamery, počítače nebo komunikační jednotky jako ostatní roboty,“ dodává Svoboda.
Kolový robot se hodí hlavně do prostorů bez schodů a překážek.
Schopnost autonomně se pohybovat v neznámém prostředí byla jedním z hlavních principů soutěže DARPA Subterranean Challenge. Soutěžní týmy sice mohly určit jednoho lidského operátora, který s roboty komunikoval a mohl je teoreticky řídit, prakticky to ale nebylo příliš možné. Jednak bylo robotů na jednoho operátora příliš mnoho a problém představoval také velmi špatný signál v podzemních prostorech.
„Spojení někdy nebylo dokonce žádné, takže když robot dojel příliš daleko, musel se pohybovat skutečně sám a včas se vrátit na místo, odkud jej bylo možné řídit,“ vzpomíná na podmínky soutěže Svoboda a dodává, že schopnost návratu na místo se signálem byla pro úspěch klíčová.
„Stávalo se, že robot někde zapadl, nestihl se vrátit, špatně si to spočítal a posledních deset minut jeho mise nám k ničemu nebylo, protože nebyl schopen případný nález nějakého objektu vykomunikovat ve stanoveném čase ven z tunelu. Vyproštění pak zajišťovali organizátoři, my jsme do tunelů za roboty nemohli.“ Organizátoři navíc měli podle Svobody k dispozici dálkové ovládání všech robotů v komplexu a po uplynutí vymezených šedesáti soutěžních minut všechny stroje vypnuli. A ty, které se nestihly vrátit, naložili na vozíky a odvezli ven.
„Navíc se samozřejmě naplnil zákon, že cokoliv se může pokazit, to se pokazí, a to typicky v nejméně vhodný čas. Takže byly situace, kdy jsme museli v noci před finálním během soutěže vyměnit LiDAR, protože se ukázalo, že funguje špatně. Stalo se nám také, že jak byly prostory hodně stísněné, tak náš dron se pokojně vznášel nad nějakým místem a najednou byl skolen SPOTem, který se snažil projít pod ním, ale protože prostoru bylo málo, tak o něj škrtnul. V předchozím městském kole se nám zase stalo, že pásový robot přejel malého šestinohého robota, který se snažil prodloužit signál stanice, takže zašel za roh s kabelem a prodlužoval dosah. A pásový robot ho vyhodnotil jako traverzabilní terén, takže přes něj přejel. Šestinohý robůtek to přežil, měl pochroumané některé vyčnívající části. Ale navzdory tomu, že jeho krunýř byl z 3D vytisknutého materiálu, který sám o sobě není moc pevný, tak díky dobrému návrhu naší konstrukce rozložil namáhání do všech směrů a robot to přežil.“
„Uspěli jsme díky schopnosti dát jednotlivé týmy dohromady,“ říká Svoboda
Během reálného soutěžního kola v komplexu MegaCavern nasadil český soutěžní tým celkem šest pozemních robotů včetně tří SPOTů, trojici dronů a ručně řízeného robota, který představoval pohyblivou základnu mobilního spojení.
„Soutěž ale měla více kol. První dva naše úspěchy v minulých kolech byly hlavně založeny na schopnosti naše starší roboty, které jsme používali, naladit tak, aby dobře plnily danou úlohu. A dokázali jsme systém vyladit natolik, že fungoval na úrovni těch nejlepších. V posledním virtuálním kole jsme pak uspěli proto, že jsme byli schopní vyvinout multirobotický systém, který fungoval zcela autonomně. Ve virtuální soutěži není dovolen žádný kontakt s roboty, opravdu se jen spustí kódy a roboty vše musí dělat autonomně. A zde je náš systém opravdu jedním z nejlepších na světě,“ říká Svoboda.
Říct ale, která jednotlivá část měla největší podíl na úspěchu českého týmu, podle Svobody není jednoduché. Jde spíš o celkovou týmovou práci mnoha pracovišť pražské techniky. „Profitovali jsme z toho, že na ČVUT jsou výborné skupiny, které se zabývají strojovou percepcí, tedy třeba počítačovým viděním. Jsou tady skupiny, které se zabývají exploračním problémem, tedy kam robota nasměrovat, aby získal co nejvíce informací. Máme tu lidi, kteří se zabývají něčím, čemu říkáme networking ve smyslu vzájemného propojení jednotlivých robotů nějakým komunikačním kanálem mezi sebou a základovou stanicí. Mohli jsme využít expertízy mnoha oborů, které když se složily, tak ve výsledku udělaly výborný systém. Těžko tedy říct, zda je nějaká konkrétní část lepší. Z mého pohledu je hlavní úspěch právě v týmovém složení jednotlivých částí dohromady.“
Soutěží DARPA ale práce pražských robotiků nekončí. Do budoucna chtějí nadále rozpracovat fungování multirobotické složky celého systému, aby robot třeba dokázal na základě informací od ostatních strojů určit, které části prostředí jsou ještě vhodné k mapování a které naopak už nemá smysl prohledávat.
„Další zajímavý otevřený problém je naučit robota, aby se sám dokázal vyrovnat s nějakým poškozením. Může se stát, že robot někde urazí LiDAR a ten přestane fungovat. A robot se musí naučit, co dělat, aby tuto chybějící funkcionalitu nahradil. Nebo když chodícímu robotovi přestane fungovat jeden z motorů, tak jestli existuje způsob chůze, kdy robot například dokáže odskákat po třech nohách. To jsou stále otevřené problémy, a proto, aby systém fungoval kdekoliv co nejrobustněji a nejspolehlivěji, je potřeba tyto otázky vyřešit,“ uzavírá Svoboda.
ČLÁNKY DO MAILU