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 ^[1] (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 ^[2]. 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.

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.

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

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.

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 ^[3] — ощущения положения тела в пространстве. При помощи камер и одометрии Spot поддерживает и обновляет модель, которая описывает позу робота ^[4] 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 — 1920x1200, процессор Rockchip 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 ^[5] — 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 ^[6]. 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 ^[7]. 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 ^[8].

Spot CAM и CAM+

Основной недостаток спот — близорукость, и Boston Dynamics предлагает несколько способов его исправить.

Прежде всего, это Spot Cam ^[9] — панорамная камера из пяти сенсоров Sony IMX290. Их дополняет кольцо из ярких светодиодов, пара динамиков и микрофоны для двусторонней связи. Spot CAM+ ^[10] — 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 ^[11] 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 ^[12] 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 ^[13] — 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 ^[14]. 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 ^[15] 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».

Главная причина держаться от Spot на расстоянии — он не соответствует трем законам 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 ^[16] (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 ^[17], 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 ^[18] (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 ^[19] на судно FPSO ^[20] в Норвегию. Там робособака будет снимать показания с оборудования и искать утечки нефти.

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 ^[21], но после отмены представлений у них вряд ли остались деньги ^[22] 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 ^[23].

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 ^[24].

Разработка и открытый SDK

Boston Dynamics выпустила для Spot комплект разработчика. Он доступен на Github ^[25] и снабжен подробным руководством ^[26].

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 ^[27] и, с недавних пор ^[28], в Gazebo ^[29]. Они не идеальны, зато бесплатны и позволяют вволю поэкспериментировать.

Крупные компании уже запустили разработку приложений для Spot. Американская HoloBuilder выпустила приложение ^[30] для навигации по строительным площадкам, а Rocos представила облачную платформу ^[31] 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 ^[32] и в телеграм-канале GeeksNote ^[33].

Автор: Игорь

Источник ^[34]