Bag om de harmoniske Youtube-vidoer: Sådan får du robotter til at danse i takt

Illustration: Boston Dynamics

De seneste ti år er den amerikanske robotproducent Boston Dynamics blevet et fænomen på Youtube , hvor de menneske- og dyrelignede robotter som hunden Spot og menneske-robotten Atlas danser, åbner døre eller dyrker gymnastik.

Trods millioner af sete videoer på internettet har det længe haltet med det reelle salg af robotter fra Boston Dynamics, og for nyligt blev virksomheden selv solgt til den sydkoreanske industrigigant Hyundai. I den anledning har syv Spot-robotter taget en fælles dans, ligesom Spot-robotten også har taget en svingom med den kendte koreanske popgruppe BTS.

Men hvordan konverteres menneskelige dansetrin til robottens hukommelse og ud i de mange aktuatorer og sensorer, der forbinder de mange led på robothunden? Det fortæller Boston Dynamics om i to nye blogindlæg.

Undgå at falde på halen

Helt grundlæggende foregår programmeringen i softwareprogrammet Choreographer, der binder bro mellem koreografi af mennesker og programmering af robotter.

Når en koreograf giver danseinstruktioner til en person, så oversætter personen selv instruktionerne uden præcis angivelse af, hvilken vinkel benene skal placeres i, eller hvor meget kraft der skal tilføres hver enkelt kropsdel.

Og hvis en instruktion simpelthen er fysisk umulig for danseren at udføre, så vil danseren intuitivt forsøge at korrigere instruksen, så den bliver fysisk mulig, men stadig minder så meget som muligt om den oprindelige instruks.

Sådan er det ikke med robotter, der i stedet vil udføre den givne instruks og så miste balancen og falde på halen.

Det nye software binder bro mellem de to verdener ved først at tage højde for, hvad der fysisk er muligt i forhold til balance. Først derefter vil robotten udføre de efterspurgte trin, der kan lade sig gøre.

Man giver så at sige robotten instruktioner om, hvad man ønsker, og så tjekker softwaren om det fysisk er muligt i det givne miljø. Er gulvet glat, så vil robotten forsøge sig med et mindre halsbrækkende trin.

På den måde opbygger man en række danse-blokke, som varierer efter omgivelserne, fx gulvets hældning eller hvor glat underlaget er.

Hvert led i robotten, såsom arme, ben, krop og gribeklo fremgår så separat på en tidslinje. Tre skridt frem ser sådan ud.

Illustration: Boston Dynamics

Det kan så forlænges eller forkortes.

Illustration: Boston Dynamics

Og hvis kroppen skal svaje med, så tilføjes det bare.

Illustration: Boston Dynamics

Læs også: Væk med ukrudtet: Nu skal robotter vænne sig til udelivet

Ingen rytmisk sans

Via koreografi-softwaren har Boston Dynamics programmeret syv Spot-robotter i denne imponerende dans.

Men selvom bevægelserne ser elegante og naturlige ud, så er det ikke rytmisk forståelse hos Spot, der skaber de avancerede dansetrin.

»Trinnene er så perfekt timede og bevægelserne så bløde og harmoniske, at du måske tror at robotterne faktisk lytter til musikken og responderer på musikken. Det gør de ikke. De lytter i stedet til deres synkroniserede indre ur. Robotten ved slet ikke, at der afspilles musik, og deres evne til at bevæge sig gennem rummet uden at træde hinanden over tæerne er et resultat af omhyggelig positionering og programmering, snarere end Spots undvige-feature,« skriver Boston Dynamics i et ærligt blogindlæg.

Robotten bevæger sig ved hjælp af fire roterende led med elmotorer, der sidder på robothundens skuldre og bagben. Robottens sanser består af fem stereokameraer, der konstant kortlægger robottens omgivelser i 3D, og så sørger en IMU (inertial measurement unit)-sensor for at balancere de fire ben rigtigt i forhold til underlaget.

Sensoren er bygget op om et accelerometer, et gyroskop og et kompas. De fem kameraer og sensoren sørger tilsammen for, at Spot hele tiden kan se tre til fire meter frem hele vejen rundt om sig selv, og på den måde kan den navigere uden om mennesker og forhindringer undervejs. Når Spot skal kravle op ad trapper, kan den i dag klare trin på op til 18 centimeter, ligesom den kan håndtere hældninger på +/-30 grader. Og så har Spot en såkaldt undvige-feature, som gør at den bevæger sig uden om forhindringer i stedet for blot at stoppe op og vente på at forhindringen flyttes. Lidt som vi kender fra robotplæneklipperen, bare i en ekstrem udgave.

Koreografi kræver timevis af programmering

Bag den 77 sekunder lange video er der lagt timevis af programmering og koreografi. Alt er planlagt og testet i mindste detalje.

Den nye Choreographer-software gør processen hurtigere, men den kræver fortsat at alle trin bliver testet og gentaget adskillige gange, før de kan sammensættes til en sammenhængende dans. Sagt på en anden måde - du kan ikke bruge koreografi-softwaren til hurtig programmering af en robot på fabriksgulvet.

»Alt skulle beregnes på forhånd og nedfældes på forhånd. Robotter har den fordel at de kan gentages. Når du først har fået den rigtigt, så forbliver det rigtigt. Men de har den ulempe, at de skal have alle detaljer. De improviserer ikke,« skriver Eric Whitman, Boston Dynamics robotforsker.

Men hvorfor overhovedet bruge tid og ressourcer på at lade robotterne danse i stedet for at udføre inspektioner eller løfte emner på et conveyor-bånd?

»En atletisk performance som dans stresser det mekaniske design af en robot, og det stresser også algoritmerne i softwaren,« skriver Marc Raibert, stifter og bestyrelsesformand i Boston Dynamics.

»Hvis du ser på dansen, vi har lavet, så indeholder den mange forskellige typer adfærd, så teamet har skulle lave værktøjer, der tillader os at skabe den type adfærd hurtigt nok for at kunne gennemføre projekt inden for rimelig tid. Det er det praktiske svar på spørgsmålet,« siger Marc Raibert.

Læs også: Industrien er blevet mæt af robotter: Undtagen to brancher

Samarbejde eller ej

Selvom Spot og andre robotter fra Boston Dynamics endnu ikke kan opføre sig som mennesker, så peger de på en tendens, der går igen i hele robotindustrien.

De senere år er begrebet samarbejdende robotter blevet det dominerende trend inden for industrirobotter. Her er de to største danske robotproducenter, Universal Robots og MiR en central drivkraft og markedsledere. De to robottyper kaldes samarbejdende fordi de er i stand til at fungere uden afskærmning.

Hvis et menneske kommer for tæt på, så stopper eller sænkes farten, og opgaven genoptages først, når robotten er fri af forhindringer. Det er en sikker procedure, men reelt knap så samarbejdende.

Spot og Atlas udgør et paradigme-skifte inden for brugen af robotter, fordi de - til en vis grad - er i stand til at interagere og handle på input fra de fysiske omgivelser, uden det kræver forudgående programmering. Når Spot-robotten nærmer sig en forhindring, så stopper den ikke automatisk op, men forsøger med det samme at finde en ny rute udenom forhindringen.

»Den er meget anderledes end de robotter, vi normalt arbejder med. Den er er meget virkelighedstro, både i udseende og i den måde, den bevæger sig på og håndterer rystelser og ujævnt underlag. Den opfører sig faktisk ret meget, som min egen hund gør derhjemme,« fortalte Jonas Bæch i Ingeniøren sidste år. Han er robotudvikler og var den første dansker til at få en Spot-robot mellem hænderne. Han arbejder til daglig hos Teknologisk Institut i Odense, som sidste år lejede to Spot-robotter i et år.

Læs også: Klar på fire ben: Spot trasker videre, hvor andre robotter kører fast

Ifølge ham er der særligt to ting, der gør Spot til en radikalt anderledes og imponerende robot: Med sine fire ben balancerer og bevæger den sig frit hen over brosten og kantsten, gennem mudder og op ad trapper. Der skal meget til at slå robotten ud af balance – selv ikke et hårdt skub med en fod ryster den. Og så har den en evne til elegant og smidigt at navigere uden om objekter helt uden at stoppe op.

Den lille Spot-robot er i dag kommercielt tilgængelig, men en rå standardudgave koster omkring 500.000 kroner.