Un mondo simulato ed altamente realistico si sta rivelando fondamentale per i ricercatori nel campo della robotica.
di Will Knight
Fra un mese, un assortimento vario di robot tenterà di superare un severo percorso a ostacoli allestito in un parco fieristico di Pomona, in California. In questo campionato, organizzato dalla Defense Advanced Research Projects (DARPA), all’incirca una ventina di macchine si cimenterà in una serie di sfide pensate per mettere alla prova le capacità di navigazione, manipolazione e locomozione dei robot.
Prima ancora che questi robot possano mettere piede (o ruota) nel percorso, però, saranno messi in riga in un mondo virtuale altamente realistico. Questo ambiente tridimensionale, denominato Gazebo permette di provare gli hardware o software dei robot senza doverli attivare realmente. Si tratta di un sistema rapido ed economico per sperimentare il tutto senza rischiare di danneggiare le preziose componenti hardware. Inoltre, permette a molti ricercatori di lavorare simultaneamente a un singolo robot.
DARPA è l’agenzia governativa responsabile per il finanziamento di ricerche avanzate, e questa competizione è pensata per incoraggiare lo sviluppo di robot che potrebbero operare in ambienti estremamente pericolosi – quali una centrale nucleare pesantemente danneggiata a seguito di una fusione – ed eseguire operazioni che verrebbero normalmente svolte da operatori umani. Ciascuna mansione che i robot dovranno compiere a Pomona simulerà vitali operazioni di riparazione, quali lo spegnimento di una pompa dell’acqua, l’isolamento di un edificio contaminato o la guida di veicoli per il trasporto di componenti. La maggior parte dei robot coinvolti ha una forma umanoide, anche se ricordano maggiormente dei giganteschi ragni meccanici.
Negli ultimi anni, DARPA ha finanziato anche lo sviluppo di gazebo. Il software richiama il genere di ambienti tridimensionali virtuali che possono essere provati in diversi videogiochi virtuali, ma offre simulazioni molto più realistiche delle forze fisiche e di fenomeni quali attrito e illuminazione. Rumori realistici possono essere trasmessi ai sensori dei robot per simulare il genere di sfide che gli sviluppatori dovranno affrontare quando un robot cercherà di completare una operazione nel mondo reale.
“Stiamo cercando di imitare la realtà nel migliore dei modi”, dice Nate Koenig, CTO della Open Source Robotics Foundation che, sotto la sua guida, ha trascorso l’ultimo decennio a sviluppare Gazebo. “Il traguardo è riuscire a passare il più facilmente possibile a un robot reale”.
Gazebo è parte del Robot Operating System, un software gratuito ed open source per il controllo di diverse parti di un robot. Siccome il contributo dei vari sviluppatori viene raccolto dal progetto ROS, il sistema operativo ha acquistato particolare importanza come piattaforma per lo sviluppo di robot, specialmente nel contesto accademico. Un ricercatore svizzero, ad esempio, sta utilizzando il software per sviluppare un pilota automatico per un veicolo quadrirotore.
“Tutto ciò appartiene a un recente processo di democratizzazione della robotica”, sostiene Pras Velagapudi, un ricercatore della Carnegie Mellon University che sta sviluppando uno dei robot che parteciperà alla competizione DARPA. “Storicamente, l’utilizzo di sistemi robotizzati significava dover risolvere una moltitudine di problemi. Occorreva creare il proprio hardware, connettere il proprio software e impostare i propri strumenti di simulazione attraverso il quale provare entrambi”.
Alcuni robot industriali stanno già utilizzando ROS e Gazebo. La lista include i robot sviluppati dalla Rethink Robotics di Boston. Questi robot, pensati per essere facili da programmare, possono operare al fianco degli umani nella catena di montaggio di una fabbrica. La società ha sviluppato la propria piattaforma software di simulazione per clienti commerciali, ma incoraggia i ricercatori accademici a utilizzare Gazebo per provare il suo primo robot, una macchina di nome Baxter.
“Nessuno vuole partire da zero”, dice Brian Benoit, un senior product manager della Rethink. “Se disponete di un laboratorio che è particolarmente efficiente nella visione meccanica, non vorrete certo dovervi preoccupare di cinematica inversa”, dice, facendo riferimento alle equazioni matematiche utilizzate per modellare il movimento degli arti di un robot”.
Un ambiente tridimensionale altamente accurato è particolarmente utile per i robot progettati per operare in uno scenario complesso e imprevedibile. I robot coinvolti nella sfida organizzata dalla DARPA dovranno affrontare svariati scenari fisici con illuminazioni variabili, e un passo falso potrebbe facilmente provocare dei danni. “In diversi casi, specialmente con i modelli umanoidi, si cercherà di afferrare qualcosa senza scontrarcisi contro”, dice Koenig.
Gazebo è utilizzato anche da molti robot che parteciperanno a un’altra sfida che si terrà questo mese a Seattle in occasione di una importante conferenza sulla robotica. Questa competizione, finanziata da Amazon, comporterà l’identificazione e la raccolta di oggetti da mensole, come compiuto dai dipendenti umani nei magazzini Amazon (vedi “La gara di Amazon per robot potrebbe accelerare l’automazione dei magazzini“). Amazon fa già uso di robot per spostare scaffali nei suoi depositi. La raccolta di oggetti da quegli scaffali, però, è cosa ben più ardua.
“è molto utile”, dice Joe Romano, che sta aiutando a organizzare la sfida di Amazon e lavora per una startup di robotica attualmente in modalità stealth. “Chiunque sia intenzionato a costruire un robot vorrà simularlo nel dettaglio. Gazebo è lo strumento su cui fare affidamento”.
Ciò detto, Velagapudi spiega che esistono dei limiti alle capacità di Gazebo, perché esistono limiti alla nostra capacità di simulare il mondo fisico. Il modo in cui un robot entra in contatto con una superficie fisica, ad esempio, è difficile da simulare correttamente.
“Il mondo reale presenta una enorme quantità di dettagli che sono difficili da rappresentare nei nostri modelli”, dice.
(MO)
