Mnohaletý vývoj humanoidního robotu Atlas

Atlas je dvounohý humanoidní robot, který vyvinula americká robotická společnost Boston Dynamics s financováním a dozorem americké agentury DARPA (Advanced Defense Research Projects Agency). Robot byl původně navržen pro různé pátrací a záchranné úkoly v bojových situacích a veřejnosti byl představen teprve 11. července 2013.

Na vývoji tak komplexního robotu se podílelo mnoho vývojových organizací. Jednu ruku robotu s jemnými motorickými schopnostmi vyvinula společnost Sandia National Laboratories, zatímco jinou vyvinula výzkumná laboratoř iRobot. Atlas je vybaven dvěma systémy vidění: laserovým dálkoměrem a stereokamerami. Oba systémy jsou ovládané externím počítačem. Jeho končetiny mají celkem 28 stupňů volnosti. Atlas se dokáže pohybovat a navigovat v nerovném terénu nebo lézt do kopce samostatně s pomocí paží a nohou. V říjnu 2013 společnost Boston Dynamics nahrála videozáznam ukazující, že Atlas by mohl odolat zásahům projektily a udržet rovnováhu na jedné noze (https://youtu.be/zkBnFPBV3f0).

V roce 2014 soutěžily roboty Atlas naprogramovaní šesti různými týmy v Robotics Challenge DARPA, aby byla otestována jejich schopnost plnit různé úkoly, včetně nastupování a vystupování z vozidla a řízení, otevírání dveří a používání elektrického nářadí. Soutěžilo také množství dalších robotů. Soutěž byla inspirována jadernou katastrofou ve Fukušimě Daiiči v roce 2011 a vítěznému týmu přinesla cenu ve výši dvou milio­nů amerických dolarů.

Atlas nové generace

Dne 23. února 2016 vydala společnost Boston Dynamics videonahrávku nové verze robotu Atlas: https://youtu.be/rVlhMGQgDkY (obr. 1). Nová verze Atlasu byla navržena pro provoz venku i uvnitř budov. Robot se specializuje na mobilní manipulaci a je velmi zdatný v chůzi po rozličných terénech, včetně sněhu, a dokáže provést náročné gymnastické cviky, jako jsou salto vzad nebo hvězda. Je poháněn elektricky a hydraulicky. Konstruován je převážně z komponent zhotovených 3D tiskem. Tato technologie umožňuje vyrábět složité, jinak nevyrobitelné součásti a celkově zmenšit hmotnost robotu. K vyvážení používá senzory v těle a nohou. V hlavě má senzory LIDAR a stereokamery, aby se vyhnul překážkám, vyhodnotil terén, pomohl s navigací nebo manipuloval s objekty, přestože se pohybují. Tato verze Atlasu je vysoká 150 cm a její hmotnost je 80 kg. Má 28 ovládaných stupňů volnosti: šest v každé noze a paži, tři v zádech a jeden krční kloub. Veškerý výpočet pohybů potřebný k řízení vnímání a odhadování pozice probíhá ve třech palubních počítačích (obr. 2).

Vedoucím projektu Atlas společnosti Boston Dynamics je Scott Kuindersma. Dříve byl odborným asistentem inženýrství a informatiky na Harvardské univerzitě a ředitelem Harvardské laboratoře agilní robotiky. Vede multidisciplinární týmy inženýrů k vývoji vysoce výkonných schopností mobility a manipulace robotů. A má také smysl pro humor, a proto lehce upravil pravidla pro roboty koncipované Isaacem Asimovem pro roboty Atlas:

1. Nezraním lidskou bytost ani svou nečinností nedovolím, aby si lidská bytost ublížila.
2. Budu poslouchat příkazy, které mi dávají lidské bytosti, kromě případů, kdy by takové příkazy byly v rozporu s prvním zákonem.
3. Budu chránit svoji vlastní existenci, pokud taková ochrana nebude v rozporu s prvním nebo druhým zákonem.
4. Kartonové krabice umístím na police, pokud taková akce nebude v rozporu s prvním, druhým nebo třetím zákonem.

Scott Kuindersma vysvětluje koncepty pohybu robotu Atlas z hlediska komplexních vztahů senzorů a zpracování dat ve třech vestavěných počítačích. „Snad nejzákladnější schopností, kterou náš systém musí mít, je schopnost navigovat na požadované místo navzdory přítomnosti překážek, jako jsou například schody, díry a trosky. Náš přístup k chůzi kombinuje efektivní plánovač kroků s jednoduchým dynamickým modelem robotu pro efektivní výpočet požadované trajektorie chůze. Abychom mohli naplánovat posloupnost bezpečných kroků, rozložíme problém do tří fází. Nejprve se pomocí skenování terénu systémy LIDAR identifikují překážky v blízkosti robotu. Podle této mapy překážek řešíme posloupnost úloh optimalizace pro výpočet sady bezpečných kroků v konfiguračním prostoru chodidla. Dále je vyřešen problém konvexní optimalizace se smíšenými celými čísly, aby tak našel proveditelný sled kroků v dané oblasti. Nakonec je algoritmus vypočítán a zadán do ovladače.“

Během vývoje komplexních pohybů tým Scotta Kuindersmy musel nalézt nová řešení, která zjednodušila požadované počítačové operace. „Pro složité humanoidní systémy, jako je Atlas, může být řešení problémů s optimalizací trajektorie pomocí plné dynamiky výpočetně prohibitivní. Proto používáme algoritmus přímé transkripce, který vypočítává dynamicky proveditelné trajektorie pomocí hodnocení plné kinematiky a dynamiky těžiště robotu. To nabízí významnou výpočetní výhodu oproti stávajícím algoritmům pro optimalizaci plné dynamické trajektorie, při současném určení dynamicky proveditelného pohybu celého těla pro běh a skoky nebo komplexních dynamických pohybů celého těla, jako je lezení z auta nebo vstávání ze země. Ke stabilizaci používáme časově proměnný lineární kvadratický regulátor LQR (cost-to-go) trajektorie, vhodný pro zjednodušení dynamického modelu robotu. Podle kombinace optimálního nastavení LQR s okamžitou dynamikou, vstupy a kontaktním omezením celého robotu v rámci kvadratického programování (QP) využíváme stabilizační vlastnosti LQR při zachování univerzálnosti, při kterých mohou být sledovány pohyby celého těla nebo různými způsoby omezovány. Implementovat náš ovladač na fyzickém systému vyžaduje, abychom byli schopni efektivně vypočítat řešení QP v každém kroku řízení. Vyvinuli jsme účinný algoritmus aktivní sady schopný najít řešení za méně než jednu milisekundu (při výpočtu 68 stavů s použitím 28 datových vstupů).“¹⁾

Dne 17. srpna 2021 zveřejnila společnost Boston Dynamics videozáběr dvou robotů Atlas, které cvičí parkour se skoky, přeskoky a chozením po kladině: https://youtu.be/tF4DML7FIWk (obr. 3). Atlas však není jen na hraní. Je určen na pomoc záchranným službám při pátracích a záchranných operacích, při plnění úkolů, jako je uzavírání ventilů, otevírání dveří a obsluha poháněných zařízení v prostředí, kde lidé nemohou přežít nebo jež je pro ně velmi nebezpečné. Nyní, s rozsáhlou možností financování od nového majitele, koncernu Hyundai, je možné, že nejnovější verze robotu Atlas přece jen dosáhne výrobní fáze, najde, i při vysoké ceně, zákazníky v různých průmyslových odvětvích a nejen ulehčí práci záchranářům, ale umožní i provádění komplexních činností v prostředích, která jsou pro lidi velmi nepříznivá.

 Petr V. Liška

¹⁾ Viz např. [POSA, M., S. KUINDERSMA a R. TEDRAKE. Optimization and stabilization of trajectories for constrained dynamical systems. In: Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation (ICRA) [online]. Stockholm, Sweden, 2016 [cit. 2022-02-09]. Dostupne z: https://agile.seas.harvard.edu/files/agile/files/dircon.pdf 

Obr. 1. Robot Atlas nové generace (Boston Dynamics; video: https://youtu.be/rVlhMGQgDkY)

Obr. 2. Kostra robotu Atlas (Boston Dynamics)

Obr. 3. Roboty Atlas dokážou tančit, cvičit gymnastiku, ale také dělat mnoho užitečných činností (video: https://youtu.be/tF4DML7FIWk; Boston Dynamics)