ABOUT THE SPEAKER
Vijay Kumar - Roboticist
As the dean of the University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science, Vijay Kumar studies the control and coordination of multi-robot formations.

Why you should listen

At the General Robotics, Automation, Sensing and Perception (GRASP) Lab at the University of Pennsylvania, flying quadrotor robots move together in eerie formation, tightening themselves into perfect battalions, even filling in the gap when one of their own drops out. You might have seen viral videos of the quads zipping around the netting-draped GRASP Lab (they juggle! they fly through a hula hoop!). Vijay Kumar headed this lab from 1998-2004. He's now the dean of the School of Engineering and Applied Science at the University of Pennsylvania in Philadelphia, where he continues his work in robotics, blending computer science and mechanical engineering to create the next generation of robotic wonders.

More profile about the speaker
Vijay Kumar | Speaker | TED.com
TED2012

Vijay Kumar: Robots that fly ... and cooperate

维杰·库马:善于合作的飞行机器人

Filmed:
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在宾夕法尼亚的实验室里,维杰·库马和他的团队造出了超小的旋翼飞行器。 这些灵活的机器人能够群组飞行,能感应同伴,从事特别行动——建筑工地,紧急救援等等
- Roboticist
As the dean of the University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science, Vijay Kumar studies the control and coordination of multi-robot formations. Full bio

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00:20
Good morning早上.
0
5000
2000
早上好
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I'm here today今天 to talk
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7000
2000
我今天想谈谈
00:24
about autonomous自主性, flying飞行 beach海滩 balls.
2
9000
3000
自主飞行沙滩球
00:27
No, agile敏捷 aerial天线 robots机器人 like this one.
3
12000
4000
其实,是小型飞行器,像这一个
00:31
I'd like to tell you a little bit about the challenges挑战 in building建造 these
4
16000
3000
我想和大家谈谈设计这些飞行器时的挑战
00:34
and some of the terrific了不起 opportunities机会
5
19000
2000
和使用这些飞行器能给我们带来的
00:36
for applying应用 this technology技术.
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21000
2000
很多用处
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So these robots机器人
7
23000
2000
这些飞行器
00:40
are related有关 to unmanned无人 aerial天线 vehicles汽车.
8
25000
3000
源于无人驾驶的飞行器
00:43
However然而, the vehicles汽车 you see here are big.
9
28000
3000
但是那些都体积很大
00:46
They weigh称重 thousands数千 of pounds英镑,
10
31000
2000
通常上万磅重
00:48
are not by any means手段 agile敏捷.
11
33000
2000
毫无灵活型可言
00:50
They're not even autonomous自主性.
12
35000
2000
它们也不是真的自主飞行的
00:52
In fact事实, many许多 of these vehicles汽车
13
37000
2000
事实上,很多这些飞行器
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are operated操作 by flight飞行 crews船员
14
39000
2000
都是受飞行团队控制的
00:56
that can include包括 multiple pilots飞行员,
15
41000
3000
包括好几个飞行员
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operators运营商 of sensors传感器
16
44000
2000
感应雷达操作员
01:01
and mission任务 coordinators协调员.
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46000
2000
和团队协调员
01:03
What we're interested有兴趣 in is developing发展 robots机器人 like this --
18
48000
2000
我们想设计的飞行器是这样的——
01:05
and here are two other pictures图片 --
19
50000
2000
这里有两张照片——
01:07
of robots机器人 that you can buy购买 off the shelf.
20
52000
3000
是你能够在超市里买到的那种小飞行器
01:10
So these are helicopters直升机 with four rotors转子
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55000
3000
小型直升机,四个螺旋桨
01:13
and they're roughly大致 a meter仪表 or so in scale规模
22
58000
4000
不超过一米长
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and weigh称重 several一些 pounds英镑.
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62000
2000
只不过几磅重
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And so we retrofit改造 these with sensors传感器 and processors处理器,
24
64000
3000
我们把它们稍微改造一下,加上感应器和处理器,
01:22
and these robots机器人 can fly indoors在室内
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67000
2000
它们就可以在室内飞
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without GPS全球定位系统.
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69000
2000
用不着导航系统
01:26
The robot机器人 I'm holding保持 in my hand
27
71000
2000
我现在拿着的这个飞行器
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is this one,
28
73000
2000
是其中之一
01:30
and it's been created创建 by two students学生们,
29
75000
3000
是两个学生做出来的
01:33
Alex亚历克斯 and Daniel丹尼尔.
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78000
2000
艾利克斯和丹尼尔
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So this weighs a little more
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80000
2000
这个仅仅比零点一磅
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than a tenth第十 of a pound.
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82000
2000
稍微重一点
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It consumes消耗 about 15 watts of power功率.
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84000
2000
只需要大约十五瓦的电源
01:41
And as you can see,
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86000
2000
你能看到
01:43
it's about eight inches英寸 in diameter直径.
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88000
2000
它的直径大约只有八个英寸
01:45
So let me give you just a very quick tutorial教程
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90000
3000
让我给你们快速解释一下
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on how these robots机器人 work.
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93000
2000
这些飞行器是怎么工作的
01:50
So it has four rotors转子.
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95000
2000
它有四个螺旋桨
01:52
If you spin these rotors转子 at the same相同 speed速度,
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97000
2000
当四个螺旋桨转速相同
01:54
the robot机器人 hovers悬停.
40
99000
2000
这个飞行器就浮在空中
01:56
If you increase增加 the speed速度 of each of these rotors转子,
41
101000
3000
当所有螺旋桨的速度提升时
01:59
then the robot机器人 flies苍蝇 up, it accelerates加速 up.
42
104000
3000
这个飞行器就加速升高
02:02
Of course课程, if the robot机器人 were tilted,
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107000
2000
当然了,如果飞行器已经是倾斜的
02:04
inclined to the horizontal,
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109000
2000
向着地平线侧过来
02:06
then it would accelerate加速 in this direction方向.
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111000
3000
就会向这个方向加速
02:09
So to get it to tilt倾斜, there's one of two ways方法 of doing it.
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114000
3000
怎么能让它侧过来呢,有两个途径
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So in this picture图片
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117000
2000
从这张照片
02:14
you see that rotor转子 four is spinning纺织 faster更快
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119000
2000
你能看到四号螺旋桨旋转加速
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and rotor转子 two is spinning纺织 slower比较慢.
49
121000
2000
同时二号螺旋桨转速变慢
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And when that happens发生
50
123000
2000
这时
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there's moment时刻 that causes原因 this robot机器人 to roll.
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125000
3000
飞行器就能向一边倒
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And the other way around,
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128000
2000
反之亦然
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if you increase增加 the speed速度 of rotor转子 three
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130000
3000
当三号螺旋桨加速
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and decrease减少 the speed速度 of rotor转子 one,
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133000
2000
一号减速时
02:30
then the robot机器人 pitches球场 forward前锋.
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135000
3000
飞行器就向前倒
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And then finally最后,
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138000
2000
最后
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if you spin opposite对面 pairs of rotors转子
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140000
2000
如果任意两端的螺旋桨的转速
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faster更快 than the other pair,
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142000
2000
大于另两端的螺旋桨的转速
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then the robot机器人 yaws雅司病 about the vertical垂直 axis.
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144000
2000
飞行器就能原地旋转
02:41
So an on-board在船上 processor处理器
60
146000
2000
所以装在飞行器上的处理器
02:43
essentially实质上 looks容貌 at what motions运动 need to be executed执行
61
148000
3000
基本上能判断需要执行哪些动作
02:46
and combines联合收割机 these motions运动
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151000
2000
然后把它们组合起来
02:48
and figures人物 out what commands命令 to send发送 to the motors马达
63
153000
3000
决定给螺旋桨下什么指令
02:51
600 times a second第二.
64
156000
2000
一秒钟六百次
02:53
That's basically基本上 how this thing operates操作.
65
158000
2000
简单地说这些飞行器就是这么工作的
02:55
So one of the advantages优点 of this design设计
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160000
2000
这个设计的一个好处
02:57
is, when you scale规模 things down,
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162000
2000
就是小巧
02:59
the robot机器人 naturally自然 becomes agile敏捷.
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164000
3000
这些飞行器很灵活
03:02
So here R
69
167000
2000
这里的R
03:04
is the characteristic特性 length长度 of the robot机器人.
70
169000
2000
是飞行器的长度
03:06
It's actually其实 half the diameter直径.
71
171000
3000
其实是半径
03:09
And there are lots of physical物理 parameters参数 that change更改
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174000
3000
当半径变小时
03:12
as you reduce减少 R.
73
177000
2000
很多物理参数都会变
03:14
The one that's the most important重要
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179000
2000
最重要的一个参数是
03:16
is the inertia惯性 or the resistance抵抗性 to motion运动.
75
181000
2000
惯性, 也就是对于运动的阻力
03:18
So it turns out,
76
183000
2000
结果是
03:20
the inertia惯性, which哪一个 governs共治 angular motion运动,
77
185000
3000
惯性决定角速度
03:23
scales as a fifth第五 power功率 of R.
78
188000
3000
它是半径的五次方函数
03:26
So the smaller you make R,
79
191000
2000
当半径变得越来越小时
03:28
the more dramatically显着 the inertia惯性 reduces减少.
80
193000
3000
惯性越来越快地减小
03:31
So as a result结果, the angular acceleration促进,
81
196000
3000
另一个结果是角速度的加速度
03:34
denoted by Greek希腊语 letter alphaα here,
82
199000
2000
也就是这里的希腊字母alpha
03:36
goes as one over R.
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201000
2000
等于一除以半径
03:38
It's inversely成反比 proportional成比例的 to R.
84
203000
2000
也就是半径的倒数
03:40
The smaller you make it the more quickly很快 you can turn.
85
205000
3000
当半径越小时飞行器能转弯越快
03:43
So this should be clear明确 in these videos视频.
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208000
2000
这个视频清楚地显示
03:45
At the bottom底部 right you see a robot机器人
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210000
3000
大家看右下角的飞行器
03:48
performing执行 a 360 degree flip翻动
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213000
2000
正在做一个三百六十度翻转
03:50
in less than half a second第二.
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215000
2000
只需要不到半秒
03:52
Multiple flips翻转, a little more time.
90
217000
3000
连续翻转,稍微时间长一点
03:55
So here the processes流程 on board
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220000
2000
这里飞行器上用的处理器
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are getting得到 feedback反馈 from accelerometers加速度计
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222000
2000
能够从飞行器上的加速度计
03:59
and gyros陀螺仪 on board
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224000
2000
和陀螺仪得到反馈信息
04:01
and calculating计算, like I said before,
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226000
2000
然后算出,就像我刚才讲的
04:03
commands命令 at 600 times a second第二
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228000
2000
一秒钟六百个指令
04:05
to stabilize稳定 this robot机器人.
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230000
2000
来稳定控制这个飞行器
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So on the left, you see Daniel丹尼尔 throwing投掷 this robot机器人 up into the air空气.
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232000
3000
在左边你能看到丹尼尔把飞行器抛到空中
04:10
And it shows节目 you how robust强大的 the control控制 is.
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235000
2000
你能看到飞行器的控制有多快
04:12
No matter how you throw it,
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237000
2000
不管你怎么扔
04:14
the robot机器人 recovers复苏 and comes back to him.
100
239000
4000
飞行器都能恢复平衡飞回来
04:18
So why build建立 robots机器人 like this?
101
243000
2000
为什么我们要设计这种飞行器呢?
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Well robots机器人 like this have many许多 applications应用.
102
245000
3000
因为这样的飞行器有很多用处
04:23
You can send发送 them inside buildings房屋 like this
103
248000
3000
你能把它们放进像这样的大楼里
04:26
as first responders反应 to look for intruders入侵者,
104
251000
3000
作为报警器去寻找入侵者
04:29
maybe look for biochemical生化 leaks泄漏,
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254000
3000
寻找生化泄漏
04:32
gaseous leaks泄漏.
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257000
2000
或者煤气泄漏
04:34
You can also use them
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259000
2000
你还能用它们
04:36
for applications应用 like construction施工.
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261000
2000
建摩天大楼呢
04:38
So here are robots机器人 carrying携带 beams, columns
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263000
4000
这里是飞行器在搬梁运柱
04:42
and assembling组装 cube-like立方体状 structures结构.
110
267000
3000
架构一个立方体的建筑
04:45
I'll tell you a little bit more about this.
111
270000
3000
这里我想和大家介绍一下
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The robots机器人 can be used for transporting传输 cargo货物.
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273000
3000
这些机器人能被用来运货
04:51
So one of the problems问题 with these small robots机器人
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276000
3000
当然一个问题是这些小飞行器
04:54
is their payload有效载荷 carrying携带 capacity容量.
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279000
2000
担不了多少重量
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So you might威力 want to have multiple robots机器人
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281000
2000
你可能需要很多飞行器
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carry携带 payloads有效载荷.
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283000
2000
来搬运重物
05:00
This is a picture图片 of a recent最近 experiment实验 we did --
117
285000
2000
我们新做了个实验——
05:02
actually其实 not so recent最近 anymore --
118
287000
2000
其实不那么新了——
05:04
in Sendai仙台 shortly不久 after the earthquake地震.
119
289000
3000
在日本仙台,地震后不久
05:07
So robots机器人 like this could be sent发送 into collapsed倒塌 buildings房屋
120
292000
3000
我们能把这些飞行器
05:10
to assess评估 the damage损伤 after natural自然 disasters灾害,
121
295000
2000
送进倒塌的楼房
05:12
or sent发送 into reactor反应堆 buildings房屋
122
297000
3000
或者核反应堆大楼
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to map地图 radiation辐射 levels水平.
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300000
3000
来探测放射性强度
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So one fundamental基本的 problem问题
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304000
2000
一个根本的问题
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that the robots机器人 have to solve解决 if they're to be autonomous自主性
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306000
3000
是当这些飞行器需要自控飞行,
05:24
is essentially实质上 figuring盘算 out
126
309000
2000
它们自己得弄明白
05:26
how to get from point A to point B.
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311000
2000
怎么从一个地点到另一个地点
05:28
So this gets得到 a little challenging具有挑战性的
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313000
2000
这就变得有点难度了
05:30
because the dynamics动力学 of this robot机器人 are quite相当 complicated复杂.
129
315000
3000
因为这些飞行器的动力学是很复杂的
05:33
In fact事实, they live生活 in a 12-dimensional space空间.
130
318000
2000
事实上它们总在对付十二维的空间
05:35
So we use a little trick.
131
320000
2000
这里我们用了一点小技巧
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We take this curved弯曲 12-dimensional space空间
132
322000
3000
我们拿这个十二位的空间
05:40
and transform转变 it
133
325000
2000
把它们转换成
05:42
into a flat平面 four-dimensional四维 space空间.
134
327000
2000
平的四维空间
05:44
And that four-dimensional四维 space空间
135
329000
2000
这个四维空间
05:46
consists of X, Y, Z and then the yaw偏航 angle角度.
136
331000
3000
包括了横轴,纵轴和竖轴,还有旋转轴
05:49
And so what the robot机器人 does
137
334000
2000
这些飞行器只需要
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is it plans计划 what we call a minimum最低限度 snap trajectory弹道.
138
336000
4000
计划一件事,我们管它叫最小化加加加速度轨道
05:55
So to remind提醒 you of physics物理,
139
340000
2000
提醒大家一点点物理学
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you have position位置, derivative衍生物, velocity速度,
140
342000
2000
这里我们有位置向量,导数,速度
05:59
then acceleration促进,
141
344000
2000
和加速度
06:01
and then comes jerk混蛋
142
346000
2000
还有加加速度
06:03
and then comes snap.
143
348000
2000
还有加加加速度
06:05
So this robot机器人 minimizes最小化 snap.
144
350000
3000
这个飞行器把加加加速度最小化
06:08
So what that effectively有效 does
145
353000
2000
基本上它的工作是
06:10
is produces产生 a smooth光滑 and graceful优美 motion运动.
146
355000
2000
创造一个光滑优雅的运动曲线
06:12
And it does that avoiding避免 obstacles障碍.
147
357000
3000
这样来绕开障碍物
06:15
So these minimum最低限度 snap trajectories轨迹 in this flat平面 space空间
148
360000
3000
所以这个四维平面中,这个飞行器使用
06:18
are then transformed改造 back
149
363000
2000
最小化加加加速度轨道, 然后转换回到
06:20
into this complicated复杂 12-dimensional space空间,
150
365000
2000
复杂的十二维空间
06:22
which哪一个 the robot机器人 must必须 do
151
367000
2000
飞行器必须这样做来
06:24
for control控制 and then execution执行.
152
369000
2000
获得控制和执行动作
06:26
So let me show显示 you some examples例子
153
371000
2000
让我给大家看几个例子
06:28
of what these minimum最低限度 snap trajectories轨迹 look like.
154
373000
2000
这些最小化加加加速度轨道是什么样的
06:30
And in the first video视频,
155
375000
2000
这是第一个视频
06:32
you'll你会 see the robot机器人 going from point A to point B
156
377000
2000
这个飞行器从一个地点飞到另一个地点
06:34
through通过 an intermediate中间 point.
157
379000
2000
中间经停一下
06:42
So the robot机器人 is obviously明显 capable
158
387000
2000
显然这个飞行器能
06:44
of executing执行 any curve曲线 trajectory弹道.
159
389000
2000
飞出一个曲线轨道
06:46
So these are circular trajectories轨迹
160
391000
2000
还有这样的打圈的轨道
06:48
where the robot机器人 pulls about two G'sG公司.
161
393000
3000
这里飞行器对抗两倍的重力
06:52
Here you have overhead高架 motion运动 capture捕获 cameras相机 on the top最佳
162
397000
4000
它们上方还有一个动感监控摄像机,每秒一百幅画面
06:56
that tell the robot机器人 where it is 100 times a second第二.
163
401000
3000
来告诉这些飞行器它们的位置
06:59
It also tells告诉 the robot机器人 where these obstacles障碍 are.
164
404000
3000
也能告诉这些飞行器障碍物在哪里
07:02
And the obstacles障碍 can be moving移动.
165
407000
2000
障碍物移动都不要紧
07:04
And here you'll你会 see Daniel丹尼尔 throw this hoop into the air空气,
166
409000
3000
当丹尼尔把套圈扔到空中
07:07
while the robot机器人 is calculating计算 the position位置 of the hoop
167
412000
2000
飞行器就开始计算套圈的位置
07:09
and trying to figure数字 out how to best最好 go through通过 the hoop.
168
414000
4000
试图预测怎么才能最有效地钻过去
07:13
So as an academic学术的,
169
418000
2000
作为一个科研人员
07:15
we're always trained熟练 to be able能够 to jump through通过 hoops to raise提高 funding资金 for our labs实验室,
170
420000
3000
我们总在试图钻出重重圈套,拿到更多经费
07:18
and we get our robots机器人 to do that.
171
423000
3000
甚至训练了我们的飞行器也来做这个
07:21
(Applause掌声)
172
426000
6000
(掌声)
07:27
So another另一个 thing the robot机器人 can do
173
432000
2000
另一个飞行器能做的事情
07:29
is it remembers记得 pieces of trajectory弹道
174
434000
3000
是当我们预先编入一些轨迹
07:32
that it learns获悉 or is pre-programmed预编程.
175
437000
2000
或者它自己学着走过的,它能够记住
07:34
So here you see the robot机器人
176
439000
2000
这里大家能看到
07:36
combining结合 a motion运动
177
441000
2000
飞行器能够(在预设轨迹上)加上一个动作
07:38
that builds建立 up momentum动量
178
443000
2000
积聚动量
07:40
and then changes变化 its orientation方向 and then recovers复苏.
179
445000
3000
改变它的定向,再回到预设轨迹上来
07:43
So it has to do this because this gap间隙 in the window窗口
180
448000
3000
它必须这样做因为这个窗上的缝隙
07:46
is only slightly larger than the width宽度 of the robot机器人.
181
451000
4000
只比它的宽度大一点点
07:50
So just like a diver潜水员 stands站立 on a springboard跳板
182
455000
3000
所以就像是一个跳水运动员
07:53
and then jumps跳跃 off it to gain获得 momentum动量,
183
458000
2000
从跳板上起跳,聚集动量,
07:55
and then does this pirouette回旋, this two and a half somersault翻筋斗 through通过
184
460000
3000
做个旋转,两圈半
07:58
and then gracefully优雅 recovers复苏,
185
463000
2000
然后优雅地回到平衡
08:00
this robot机器人 is basically基本上 doing that.
186
465000
2000
这个飞行器是自主这样做的
08:02
So it knows知道 how to combine结合 little bits and pieces of trajectories轨迹
187
467000
3000
它知道怎么把小段的轨迹组合起来
08:05
to do these fairly相当 difficult tasks任务.
188
470000
4000
来做这些高难度的技巧
08:09
So I want change更改 gears齿轮.
189
474000
2000
现在我想换个话题谈谈这些小型飞行器
08:11
So one of the disadvantages缺点 of these small robots机器人 is its size尺寸.
190
476000
3000
的不足之处,就是体积小
08:14
And I told you earlier
191
479000
2000
我已经提过
08:16
that we may可能 want to employ采用 lots and lots of robots机器人
192
481000
2000
我们需要使用很多飞行器
08:18
to overcome克服 the limitations限制 of size尺寸.
193
483000
3000
来克服体积小的不便
08:21
So one difficulty困难
194
486000
2000
一个难点是
08:23
is how do you coordinate坐标 lots of these robots机器人?
195
488000
3000
怎么使得这些飞行器集体飞行?
08:26
And so here we looked看着 to nature性质.
196
491000
2000
我们在大自然中寻找答案
08:28
So I want to show显示 you a clip
197
493000
2000
我想给大家看一个视频
08:30
of AphaenogasterAphaenogaster desert沙漠 ants蚂蚁
198
495000
2000
是关于Aphaenogaster沙漠蚁的
08:32
in Professor教授 Stephen斯蒂芬 Pratt's普拉特 lab实验室 carrying携带 an object目的.
199
497000
3000
在史狄文·普热特教授的实验室里,这些蚂蚁一起搬运重物
08:35
So this is actually其实 a piece of fig.
200
500000
2000
这是一个无花果
08:37
Actually其实 you take any object目的 coated with fig juice果汁
201
502000
2000
事实上无论什么东西,只要蘸上无花果汁
08:39
and the ants蚂蚁 will carry携带 them back to the nest.
202
504000
3000
这些蚂蚁都会把它们带回巢去
08:42
So these ants蚂蚁 don't have any central中央 coordinator协调.
203
507000
3000
这些蚂蚁没有任何中央调控
08:45
They sense their neighbors邻居.
204
510000
2000
它们是靠感应邻近的蚂蚁
08:47
There's no explicit明确的 communication通讯.
205
512000
2000
它们也没有明确的交流
08:49
But because they sense the neighbors邻居
206
514000
2000
但是因为它们能够感应邻近的蚂蚁
08:51
and because they sense the object目的,
207
516000
2000
也能感应抬着的重物
08:53
they have implicit含蓄 coordination协调 across横过 the group.
208
518000
3000
整群的蚂蚁有默契
08:56
So this is the kind of coordination协调
209
521000
2000
这样的协调
08:58
we want our robots机器人 to have.
210
523000
3000
正是飞行器需要的
09:01
So when we have a robot机器人
211
526000
2000
当一个飞行器
09:03
which哪一个 is surrounded包围 by neighbors邻居 --
212
528000
2000
被其他飞行器环绕时——
09:05
and let's look at robot机器人 I and robot机器人 J --
213
530000
2000
让我们注意 I 和 J 这两个——
09:07
what we want the robots机器人 to do
214
532000
2000
当它们成群飞行时
09:09
is to monitor监控 the separation分割 between之间 them
215
534000
3000
我们希望这两个飞行器
09:12
as they fly in formation编队.
216
537000
2000
能够监控它们之间的距离
09:14
And then you want to make sure
217
539000
2000
我们需要确定
09:16
that this separation分割 is within acceptable接受 levels水平.
218
541000
2000
这个距离是在可接受的范围里的
09:18
So again the robots机器人 monitor监控 this error错误
219
543000
3000
飞行器要检测这个变化
09:21
and calculate计算 the control控制 commands命令
220
546000
2000
在控制指令中计算进去
09:23
100 times a second第二,
221
548000
2000
也是每秒一百次
09:25
which哪一个 then translates转换 to the motor发动机 commands命令 600 times a second第二.
222
550000
3000
这个控制指令每秒会被送到马达六百次
09:28
So this also has to be doneDONE
223
553000
2000
所以这个程序
09:30
in a decentralized分散 way.
224
555000
2000
是分散化执行的
09:32
Again, if you have lots and lots of robots机器人,
225
557000
2000
再有,如果你有很多很多飞行器
09:34
it's impossible不可能 to coordinate坐标 all this information信息 centrally中央
226
559000
4000
要完成集体飞行任务,能足够快地集中协调所有这些信息
09:38
fast快速 enough足够 in order订购 for the robots机器人 to accomplish完成 the task任务.
227
563000
3000
是几乎不可能的
09:41
Plus the robots机器人 have to base基础 their actions行动
228
566000
2000
加上这些飞行器只能
09:43
only on local本地 information信息,
229
568000
2000
依靠局部的信息来决定做什么动作
09:45
what they sense from their neighbors邻居.
230
570000
2000
也就是要靠感应邻近的飞行器
09:47
And then finally最后,
231
572000
2000
最后
09:49
we insist咬定 that the robots机器人 be agnostic不可知
232
574000
2000
我们希望这些机器人
09:51
to who their neighbors邻居 are.
233
576000
2000
不知道它们的邻居是谁
09:53
So this is what we call anonymity匿名.
234
578000
3000
也就是匿名飞行
09:56
So what I want to show显示 you next下一个
235
581000
2000
下一个我想给大家展示的
09:58
is a video视频
236
583000
2000
是这段视频
10:00
of 20 of these little robots机器人
237
585000
3000
这二十个小型飞行器
10:03
flying飞行 in formation编队.
238
588000
2000
成群飞行
10:05
They're monitoring监控 their neighbors'邻居' position位置.
239
590000
3000
它们在监测邻居的位置
10:08
They're maintaining维持 formation编队.
240
593000
2000
维持群队
10:10
The formations编队 can change更改.
241
595000
2000
群队的形状还能变
10:12
They can be planar平面 formations编队,
242
597000
2000
它们可以在一个平面上飞
10:14
they can be three-dimensional三维 formations编队.
243
599000
2000
也可以上中下地飞
10:16
As you can see here,
244
601000
2000
大家可以看到
10:18
they collapse坍方 from a three-dimensional三维 formation编队 into planar平面 formation编队.
245
603000
3000
它们能从上中下的群队变成平面的
10:21
And to fly through通过 obstacles障碍
246
606000
2000
在飞越障碍物的时候
10:23
they can adapt适应 the formations编队 on the fly.
247
608000
4000
它们能边飞边变换队形
10:27
So again, these robots机器人 come really close together一起.
248
612000
3000
我想强调,这些飞行器距离都很近
10:30
As you can see in this figure-eight八字形 flight飞行,
249
615000
2000
比如这个群队,八架飞行器
10:32
they come within inches英寸 of each other.
250
617000
2000
相互距离不过几英寸
10:34
And despite尽管 the aerodynamic空气动力学的 interactions互动
251
619000
3000
尽管在空气动力学上
10:37
of these propeller螺旋桨 blades叶片,
252
622000
2000
这些螺旋桨相互干扰
10:39
they're able能够 to maintain保持 stable稳定 flight飞行.
253
624000
2000
它们还是能够维持平稳飞行
10:41
(Applause掌声)
254
626000
7000
(掌声)
10:48
So once一旦 you know how to fly in formation编队,
255
633000
2000
现在它们会成群飞了
10:50
you can actually其实 pick up objects对象 cooperatively合作.
256
635000
2000
它们就可以合作抬重物
10:52
So this just shows节目
257
637000
2000
这里展示的是
10:54
that we can double, triple三倍, quadruple
258
639000
3000
我们能够把飞行器的能力
10:57
the robot机器人 strength强度
259
642000
2000
翻倍,翻三倍,四倍
10:59
by just getting得到 them to team球队 with neighbors邻居, as you can see here.
260
644000
2000
仅仅通过让它们和邻居合作,大家可以看到
11:01
One of the disadvantages缺点 of doing that
261
646000
3000
这样做的一个不便之处
11:04
is, as you scale规模 things up --
262
649000
2000
就是当加大数量时——
11:06
so if you have lots of robots机器人 carrying携带 the same相同 thing,
263
651000
2000
比如使用很多飞行器来抬一个物体
11:08
you're essentially实质上 effectively有效 increasing增加 the inertia惯性,
264
653000
3000
你其实是加大了惯性
11:11
and therefore因此 you pay工资 a price价钱; they're not as agile敏捷.
265
656000
3000
这样它们就不够灵活了,这是一个代价
11:14
But you do gain获得 in terms条款 of payload有效载荷 carrying携带 capacity容量.
266
659000
3000
但是你可以增加载荷承载量
11:17
Another另一个 application应用 I want to show显示 you --
267
662000
2000
另一个我想给大家展示的用处是——
11:19
again, this is in our lab实验室.
268
664000
2000
这是在我们实验室
11:21
This is work doneDONE by Quentin昆汀 Lindsey林赛 who's谁是 a graduate毕业 student学生.
269
666000
2000
这是研究生昆汀·林夕的工作
11:23
So his algorithm算法 essentially实质上 tells告诉 these robots机器人
270
668000
3000
他的算法程序告诉这些飞行器
11:26
how to autonomously自主 build建立
271
671000
2000
怎么使用桁架结构
11:28
cubic立方体 structures结构
272
673000
2000
自动建造
11:30
from truss-like桁架式 elements分子.
273
675000
3000
一个立方体
11:33
So his algorithm算法 tells告诉 the robot机器人
274
678000
2000
他的算法程序告诉这些机器人
11:35
what part部分 to pick up,
275
680000
2000
该用哪一块
11:37
when and where to place地点 it.
276
682000
2000
什么时候用,用在哪里
11:39
So in this video视频 you see --
277
684000
2000
从这个视频我们可以看到——
11:41
and it's sped加快 up 10, 14 times --
278
686000
2000
这个视频是十倍或者十四倍速度播放的——
11:43
you see three different不同 structures结构 being存在 built内置 by these robots机器人.
279
688000
3000
大家可以看到飞行器在搭建很不一样的构架
11:46
And again, everything is autonomous自主性,
280
691000
2000
并且,所有的运动都是自主的
11:48
and all Quentin昆汀 has to do
281
693000
2000
昆汀仅仅是
11:50
is to get them a blueprint蓝图
282
695000
2000
给它们一个蓝图
11:52
of the design设计 that he wants to build建立.
283
697000
4000
也就是他想建的设计
11:56
So all these experiments实验 you've seen看到 thus从而 far,
284
701000
3000
所有这里展示的实验
11:59
all these demonstrations示威,
285
704000
2000
所有这些演习
12:01
have been doneDONE with the help of motion运动 capture捕获 systems系统.
286
706000
3000
都是靠着它们自己的动感检测摄像机完成的
12:04
So what happens发生 when you leave离开 your lab实验室
287
709000
2000
那么,当它们离开实验室
12:06
and you go outside into the real真实 world世界?
288
711000
3000
来到真实世界的时候,又怎么样呢?
12:09
And what if there's no GPS全球定位系统?
289
714000
3000
没有卫星导航会怎么样?
12:12
So this robot机器人
290
717000
2000
这个飞行器
12:14
is actually其实 equipped装备 with a camera相机
291
719000
2000
其实装有一个摄像机
12:16
and a laser激光 rangefinder测距仪, laser激光 scanner扫描器.
292
721000
3000
和一个激光测距仪,一个激光扫描仪
12:19
And it uses使用 these sensors传感器
293
724000
2000
它可以使用这些探测装置
12:21
to build建立 a map地图 of the environment环境.
294
726000
2000
来描绘周围的环境的地图
12:23
What that map地图 consists of are features特征 --
295
728000
3000
这个地图包括很多细节——
12:26
like doorways门道, windows视窗,
296
731000
2000
玄关,窗户
12:28
people, furniture家具 --
297
733000
2000
人,家具——
12:30
and it then figures人物 out where its position位置 is
298
735000
2000
还能弄清楚相对于这些东西
12:32
with respect尊重 to the features特征.
299
737000
2000
它自己在哪里
12:34
So there is no global全球 coordinate坐标 system系统.
300
739000
2000
所以这里没有整体的协调系统
12:36
The coordinate坐标 system系统 is defined定义 based基于 on the robot机器人,
301
741000
3000
这个协调系统是靠飞行器自己来完成的
12:39
where it is and what it's looking at.
302
744000
3000
它自己在哪里,前面有什么
12:42
And it navigates可前往[ with respect尊重 to those features特征.
303
747000
3000
还能利用周围环境为自己找到出路
12:45
So I want to show显示 you a clip
304
750000
2000
这里我想给大家再看一段视频
12:47
of algorithms算法 developed发达 by Frank坦率 Shen
305
752000
2000
这个算法程序是法兰克·沈
12:49
and Professor教授 Nathan弥敦道 Michael迈克尔
306
754000
2000
和南希·麦克教授编的
12:51
that shows节目 this robot机器人 entering进入 a building建造 for the very first time
307
756000
4000
当这个飞行器第一次飞入一个建筑
12:55
and creating创建 this map地图 on the fly.
308
760000
3000
它是怎么边飞边画地图的
12:58
So the robot机器人 then figures人物 out what the features特征 are.
309
763000
3000
这个飞行器弄明白了这些细节
13:01
It builds建立 the map地图.
310
766000
2000
开始画地图
13:03
It figures人物 out where it is with respect尊重 to the features特征
311
768000
2000
弄明白了相对这些细节,自己在哪里,
13:05
and then estimates估计 its position位置
312
770000
2000
然后自我定位
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100 times a second第二
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全以每秒一百次的速度发生
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allowing允许 us to use the control控制 algorithms算法
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这就给我们一个机会来控制这些算法
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that I described描述 to you earlier.
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2000
像我之前讲过的
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So this robot机器人 is actually其实 being存在 commanded指挥
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所以这个机器人其实是
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remotely远程 by Frank坦率.
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被法兰克遥控的
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But the robot机器人 can also figure数字 out
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但是它自己也可以弄明白
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where to go on its own拥有.
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怎么飞
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So suppose假设 I were to send发送 this into a building建造
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假设我想放一个这样的飞行器进一幢楼
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and I had no idea理念 what this building建造 looked看着 like,
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我并不知道里面是什么样的
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I can ask this robot机器人 to go in,
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我可以让它飞进去
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create创建 a map地图
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创造一个地图
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and then come back and tell me what the building建造 looks容貌 like.
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3000
然后飞回来告诉我里面是什么样的
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So here, the robot机器人 is not only solving the problem问题,
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所以,这个飞行器不仅仅解决了
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how to go from point A to point B in this map地图,
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怎么从一点到另一点的问题
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but it's figuring盘算 out
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还能够随时知道
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what the best最好 point B is at every一切 time.
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最好的目标在哪里
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So essentially实质上 it knows知道 where to go
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基本上,它知道该去搜索哪里
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to look for places地方 that have the least最小 information信息.
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因为那里的信息是最“未知”的
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And that's how it populates填充 this map地图.
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这就是它怎么填充这个地图
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So I want to leave离开 you
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这里我想展示给大家
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with one last application应用.
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最后一个用途
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And there are many许多 applications应用 of this technology技术.
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当然这个技术有很多很多用途
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I'm a professor教授, and we're passionate多情 about education教育.
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我是个教授,我们很关心教育
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Robots机器人 like this can really change更改 the way
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这样的飞行器其实可以改变
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we do K through通过 12 education教育.
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我们的小学和中学教育
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But we're in Southern南部的 California加州,
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我们在南加州
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close to Los洛杉矶 Angeles洛杉矶,
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离洛杉矶很近
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so I have to conclude得出结论
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所以我不得不
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with something focused重点 on entertainment娱乐.
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放点娱乐元素进去
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I want to conclude得出结论 with a music音乐 video视频.
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2000
我想给大家看一个音乐视频
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I want to introduce介绍 the creators创作者, Alex亚历克斯 and Daniel丹尼尔,
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3000
我想向你们介绍艾利克斯和丹尼尔,
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who created创建 this video视频.
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他们是导演兼制作
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(Applause掌声)
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7000
(掌声)
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So before I play this video视频,
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2000
在我播放这个视频前
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I want to tell you that they created创建 it in the last three days
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我想告诉大家这是他们在过去三天做出来的
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after getting得到 a call from Chris克里斯.
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因为主持人克瑞斯给我打了个电话
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And the robots机器人 that play the video视频
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在这个视频中表演的飞行器
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are completely全然 autonomous自主性.
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全是靠自控表演的
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You will see nine robots机器人 play six different不同 instruments仪器.
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你能看到九个机器人,演奏六种不同乐器
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And of course课程, it's made制作 exclusively for TEDTED 2012.
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4000
当然了,这是为了今年的TED2012特别制作的
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Let's watch.
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请欣赏
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(Music音乐)
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(音乐)
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(Applause掌声)
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(掌声)
Translated by Alison Xiaoqiao Xie
Reviewed by Angelia King

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ABOUT THE SPEAKER
Vijay Kumar - Roboticist
As the dean of the University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science, Vijay Kumar studies the control and coordination of multi-robot formations.

Why you should listen

At the General Robotics, Automation, Sensing and Perception (GRASP) Lab at the University of Pennsylvania, flying quadrotor robots move together in eerie formation, tightening themselves into perfect battalions, even filling in the gap when one of their own drops out. You might have seen viral videos of the quads zipping around the netting-draped GRASP Lab (they juggle! they fly through a hula hoop!). Vijay Kumar headed this lab from 1998-2004. He's now the dean of the School of Engineering and Applied Science at the University of Pennsylvania in Philadelphia, where he continues his work in robotics, blending computer science and mechanical engineering to create the next generation of robotic wonders.

More profile about the speaker
Vijay Kumar | Speaker | TED.com