Narodowe Centrum Inżynierii Robotyki

Narodowe Centrum Inżynierii Robotyki Carnegie Mellon

Przyjęty	1 maja 1994 ( 01.05.1994 )
Budżet	35 milionów dolarów (2020)
Dziedzina badań	Robotyka
Dyrektor	dr Herman Herman
Personel	182
Adres	Dziesiąta 40 ulica
Lokalizacja	Pittsburgh, Pensylwania, Stany Zjednoczone
kod pocztowy	15201
Agencja operacyjna	Carnegie Mellon University
Strona internetowa	www .nrec .ri .cmu .edu

Narodowe Centrum Inżynierii Robotyki ( NREC ) jest jednostką operacyjną w Instytucie Robotyki (RI) Uniwersytetu Carnegie Mellon . NREC ściśle współpracuje z klientami rządowymi i przemysłowymi w celu zastosowania technologii robotycznych w rzeczywistych procesach i produktach, w tym w projektowaniu pojazdów bezzałogowych i platform, autonomii , wykrywania i przetwarzania obrazu, uczenia maszynowego , manipulacji i interakcji człowiek-robot .

NREC zajmuje się również edukacją w zakresie informatyki i nauk ścisłych, technologii, inżynierii i matematyki (CS-STEM) za pośrednictwem Akademii Robotyki , która zapewnia programy i oprogramowanie z robotyki dla uczniów szkół podstawowych i wyższych.

Cele i podejście badawcze NREC

NREC stosuje technologie robotyki do budowy funkcjonalnych systemów prototypowych od koncepcji do komercjalizacji. Typowy projekt NREC obejmuje szybką demonstrację koncepcji, po której następuje dogłębna faza rozwoju i testowania, w wyniku której powstaje solidny prototyp z własnością intelektualną do licencjonowania i komercjalizacji. W całym tym procesie NREC stosuje najlepsze praktyki w zakresie tworzenia oprogramowania, integracji systemów i testowania w terenie. Sponsorami i partnerami są firmy przemysłowe, start-upy technologiczne i agencje federalne, takie jak DARPA , Departament Transportu , NASA , Laboratorium Badawczego Sił Powietrznych i Korpusu Inżynieryjnego Armii Stanów Zjednoczonych .

Model badawczy NREC opiera się na:

• Kreatywne projektowanie i inżynieria na wszystkich poziomach i we wszystkich dyscyplinach
• Szybkie prototypowanie z wykorzystaniem własnych możliwości produkcyjnych
• Współpraca ze sponsorami w celu komercjalizacji technologii

Historia NREC

W 1994 roku naukowcy z Carnegie Mellon Field Robotics Center zdali sobie sprawę, że dziedzina robotyki mobilnej jest wystarczająco dojrzała, aby można ją było zastosować komercyjnie w rolnictwie, budownictwie, górnictwie, zakładach użyteczności publicznej i na innych rynkach. W rezultacie powołano National Robotics Engineering Consortium (NREC) z misją rozwijania i przekazywania technologii robotów do przemysłu i agencji federalnych. Pierwotne finansowanie centrum obejmowało finansowanie zalążkowe w wysokości 2,5 miliona dolarów od NASA .

W 1996 roku organizacja przeniosła się do swojego obecnego obiektu w dzielnicy Lawrenceville w Pittsburghu i została przemianowana na National Robotics Engineering Center. NREC mieści się w odnowionym budynku odlewni o powierzchni 100 000 stóp kwadratowych na zrekultywowanym terenie poprzemysłowym.

CHIMP firmy Tartan Rescue tnie płytę ścienną podczas zawodów DARPA Robotics Challenge Trials 2013

Tartan Racing wygrywa DARPA Urban Challenge

Prezydent Barack Obama z robotem Sensabot firmy NREC

Oś czasu NREC

Rok	Kluczowy kamień milowy
1994	NASA finansuje utworzenie NREC
1996	NREC przenosi się do obecnego, najnowocześniejszego obiektu
1997	Pionierski system opracowany na potrzeby reagowania na katastrofy w Czarnobylu
1997	Demeter prowadzi do opracowania zautomatyzowanego, samojezdnego kombajnu
2000	Uruchomiono Akademię Robotyki, aby wspierać nauczanie STEM (nauki ścisłe, technologia, inżynieria, matematyka) i robotykę dla uczniów i nauczycieli
2000	NREC wygrywa programy UGCV i PerceptOR DARPA, , co prowadzi do opracowania bezzałogowego pojazdu bojowego Crusher
2001	M-2000 Robotic Hydro-blasting System , zapewniający bezpieczne dla środowiska i ekonomiczne rozwiązanie do rozbiórki kadłubów statków. System jest obecnie w produkcji komercyjnej jako ENVIROBOT ® .
2005	Gladiator Tactical Unmanned Ground Vehicle , opracowany dla US Marine Corps.
2006	Crusher rozpoczyna 2 lata prób terenowych autonomicznej nawigacji terenowej
2007	Zespół CMU Tartan Racing Team wygrywa zawody bezzałogowych pojazdów DARPA Urban Challenge
2008	Opracowanie szybkiego systemu wizyjnego do monitorowania przenośników taśmowych w kopalniach węgla kamiennego, poprawiającego wydajność i bezpieczeństwo pracowników
2009	Wdrażanie autonomicznego sprzętu rolniczego do zbioru, oprysków i koszenia
2010	Sensabot zapewnia możliwości inspekcji obiektów gazowych i naftowych
2011	Prezydent Obama odwiedza NREC, aby uruchomić National Robotics Initiative
2012	DARPA wybiera Tartan Rescue Team NREC do rywalizacji w DARPA Robotics Challenge
2013	CHIMP (CMU Highly Intelligent Mobile Platform) firmy Tartan Rescue zajmuje 3 miejsce w DARPA Robotics Challenge Trials i kwalifikuje się do finału
2015	Dr Herman Herman zostaje nowym dyrektorem NREC
2016	NREC obchodzi swoje 20-lecie
2017	Wstępne prototypowanie robotów w celu wsparcia operacji zatapiania mat na rzece Mississippi we współpracy z Korpusem Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych
2018	Honeywell , CMU opracowuje zaawansowane rozwiązania z zakresu robotyki i sztucznej inteligencji w łańcuchu dostaw dla połączonych centrów dystrybucji
2019	Aktywacja grupy zadaniowej AI armii amerykańskiej, której gospodarzem jest NREC
2019	Advanced Robotics for Manufacturing (ARM) współpracuje z NREC i Akademią Robotyki Carnegie Mellon University w celu rozwoju wykwalifikowanej siły roboczej
2020	Demonstracja prototypu ARMOR 1 dla Korpusu Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych
2021	CMU publikuje raport wpływu na 25 lat NREC

Studia przypadków projektów

Wyzwanie robotyki DARPA

CHIMP to robot wielkości człowieka, który w pozycji stojącej ma 5 stóp i 2 cale wzrostu i waży około 400 funtów. Inżynierowie Tartan Rescue Team zaprojektowali CHIMP do pracy w niebezpiecznych, zdegradowanych środowiskach, które zostały zbudowane dla ludzi, a nie robotów. CHIMP działa półautonomicznie i może planować i wykonywać instrukcje wysokiego poziomu wydawane przez operatora. Jego niemal ludzka forma, siła, precyzja i zręczność umożliwiają mu wykonywanie złożonych zadań na poziomie człowieka. CHIMP nie jest dynamicznie wyważonym robotem kroczącym. Zamiast tego został zaprojektowany do poruszania się po stabilnych, przypominających czołgi gąsienicach wbudowanych w jego cztery kończyny. Kiedy musi obsługiwać elektronarzędzia, przekręcać zawory lub w inny sposób używać ramion, CHIMP może stać i toczyć się na swoich gąsienicach. Długie przednie ramiona robota (prawie 5 stóp) nadają mu wygląd małpy.

CHIMP zajął trzecie miejsce w DARPA Robotics Challenge Trials w grudniu 2013 r. Zdobywając 18 z 32 możliwych punktów podczas dwudniowych testów, zespół wykazał zdolność systemu do wykonywania takich zadań, jak usuwanie gruzu, otwieranie drzwi, wycinanie dziury w ścianę i zamykając szereg zaworów. System został wybrany jako jeden z dziewięciu kwalifikujących się do finansowania przez DARPA w celu przygotowania do finałów DARPA Robotics Challenge w 2015 roku.

Miejskie wyzwanie

Zespół wyścigowy Tartan Carnegie Mellon University i General Motors zbudowały autonomicznego SUV-a, który zdobył pierwsze miejsce w konkursie DARPA Urban Challenge 2007. Wyścig Urban Challenge odbył się 3 listopada 2007 roku w ośrodku treningowym Victorville w Kalifornii. Jedenaście drużyn rywalizowało ze sobą, aby ukończyć 60-milową trasę miejską w mniej niż sześć godzin. Ich pojazdy musiały wykonywać symulowane misje w symulowanym obszarze miejskim, przestrzegając przepisów ruchu drogowego, bezpiecznie włączając się do poruszającego się ruchu, poruszając się po rondach, pokonując ruchliwe skrzyżowania i unikając innych pojazdów – a wszystko to bez interwencji człowieka.

Automatyzacja i uczenie maszynowe dla rolnictwa

Ochrona pojazdów

Możliwość wykrywania przeszkód i zagrożeń terenowych znacznie zwiększa bezpieczeństwo zarówno załogowych, jak i bezzałogowych pojazdów rolniczych. W projekcie wykorzystano techniki uczenia maszynowego do zbudowania solidnego systemu wykrywania przeszkód, który można łatwo dostosować do różnych środowisk i warunków operacyjnych. Firma NREC zintegrowała swoje dodatkowe pakiety percepcji z zespołem trzech traktorów sterowanych komputerowo, opracowanych przez firmę John Deere . Te autonomiczne ciągniki były używane podczas prac żniwnych na torfowisku. Zrobotyzowany zespół zbierający torf był testowany przez cały sezon, wykonując ponad 100 misji zbierania na działającym torfowisku. Ich zachowanie naśladowało ręczne operacje pozyskiwania torfu przy zachowaniu bezpiecznego środowiska pracy.

Sortownik Truskawek

Opierając się na wiedzy specjalistycznej w zakresie wizji, mechanizmów i manipulacji, NREC zbudował zautomatyzowany sortownik truskawek, który usprawnia proces zbioru, poprawia wydajność i zapewnia stałą jakość roślin. System wizyjny maszyny jest szkolony do sortowania roślin truskawek na podstawie próbek zebranych przez człowieka, sortowania roślin różnych odmian i poziomów dojrzałości, działając w realistycznych warunkach, w których deszcz i mróz zmieniają wygląd roślin, a korzenie mogą zawierać błoto i zanieczyszczenia. Przedszkole Lassen Canyon i inni hodowcy, reprezentujący około 85% kalifornijskiego rynku szkółek truskawek, wsparli ten projekt i planują wykorzystać tę technologię w swojej działalności. Firma

Orchard Spraying

NREC opracowała zestaw modernizacyjny, który umożliwia pracę ciągnika bez kierowcy. Jego oprogramowanie dokładnie oszacowało położenie pojazdu i umożliwiło mu autonomiczne podążanie z góry określoną ścieżką. Autonomiczny traktor rozpylał wodę, pokonując siedmiokilometrową ścieżkę przez pomarańczowy sad bez żadnej interwencji człowieka. Aby osiągnąć zdolność uczenia/odtwarzania ścieżki, firma NREC opracowała system pozycjonowania wykorzystujący rozszerzony filtr Kalmana do łączenia odometrii, informacji GPS i pomiarów IMU. System podążania ścieżką oparty jest na algorytmie Pure Pursuit.

Roboty obronne dla bezpieczeństwa konwojów

NREC i Oshkosh Defence opracowują technologie autonomicznych bezzałogowych pojazdów naziemnych dla logistycznych taktycznych pojazdów kołowych używanych przez US Marine Corps. Bezzałogowe pojazdy naziemne CARGO (CARGO UGV lub CUGV) są przeznaczone do autonomicznego użytku w konwojach, które łączą pojazdy załogowe i bezzałogowe. Operator w innym pojeździe nadzoruje jeden lub więcej pojazdów bezzałogowych, które poruszają się autonomicznie w konwoju w dzień iw nocy, przy każdej pogodzie oraz gdy kurz i dym ograniczają widoczność.

Technologie opracowane w ramach tego projektu są częścią zestawu TerraMax™ UGV firmy Oshkosh Defence, który wspiera bezzałogowe operacje konwojowe.

sensabot

Sensabot to wytrzymały robot zaprojektowany do bezpiecznego przeprowadzania inspekcji na miejscu w niebezpiecznych środowiskach, odizolowanych obiektach i innych miejscach, do których personel ma utrudniony lub niebezpieczny dostęp. Korzyści obejmują zmniejszenie ryzyka i poprawę efektywności działania.

System obejmuje mobilną bazę robota z wysięgnikiem czujnikowym zakończonym czujnikami inspekcyjnymi. Może pracować w ekstremalnych temperaturach oraz atmosferach wybuchowych i toksycznych. Operator zdalnie obsługuje robota i używa jego czujników do sprawdzania rur, złączek i zaworów. Sensabot został zaprojektowany tak, aby spełniał normy IECEx dla strefy 1 dla środowisk zagrożonych wybuchem oraz normy bezpieczeństwa ANSI dla kierowanych pojazdów przemysłowych.

Zaawansowany robotyczny system usuwania powłoki laserowej (ARLCRS)

Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych (AFRL), Concurrent Technologies Corporation (CTC) i NREC opracowują przyjazny dla środowiska system usuwania powłok z samolotów Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych dzięki finansowaniu z Air Force Materiel Command (AFMC).

Advanced Robotic Laser Coating Removal System (ARLCRS) wykorzystuje potężne narzędzie do usuwania lasera i najnowocześniejsze roboty mobilne do automatycznego usuwania farby i powłok z samolotów. Kompletny system jest skalowalny do użytku od myśliwców po samoloty transportowe i tankowce. ARLCRS zmniejszy odpady niebezpieczne, emisje do powietrza, koszty konserwacji i czas przetwarzania. CTC opracowuje systemy usuwania powłok laserowych i wychwytywania cząstek. NREC opracowuje roboty mobilne, czujniki i system autonomii.

Pomoc Operatora dla Podziemnego Wydobycia Węgla

NREC współpracował z partnerami z branży wydobycia węgla nad opracowaniem technologii wspomagania operatora dla górnictwa ścianowego . Obejmuje to kompletny system nawigacji dla maszyny do ciągłego wydobycia, percepcję opartą na dalmierzu laserowym do lokalizacji robota , planowanie zagraconych przestrzeni oraz narzędzia do integracji i symulacji. System ten został pomyślnie zademonstrowany w działającej kopalni w Wirginii Zachodniej. Powiązane badania i cele obejmują zautomatyzowaną geodezję kopalni, transport i interakcję wielu maszyn.

ARMOR 1: System tonięcia maty

ARMOR 1 to zautomatyzowany system robotyczny przeznaczony dla Korpusu Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych do wykonywania operacji wzmacniania umocnień wzdłuż rzeki Mississippi . Po wdrożeniu ARMOR 1 zastąpi starą jednostkę do topienia mat, pierwotnie zbudowaną w 1948 r. Celem jest zwiększenie szybkości operacji umocnienia brzegów oraz poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy pracowników wykonujących tę ważną pracę.

Po ukończeniu ARMOR 1 będzie zawierał sześć niezależnych zrobotyzowanych dźwigów. Dźwigi te podniosą duże betonowe kwadraty z barki zaopatrzeniowej i ułożą je na „matowym pokładzie” barki produkcyjnej ARMOUR 1. Tam poszczególne kwadraty zostaną połączone razem w jedną elastyczną „matę” o szerokości 140 stóp (i długości do 900 stóp) za pomocą zautomatyzowanego systemu wiązania. Ukończona mata zostanie zwodowana z barki i zanurzona wzdłuż brzegów rzeki Mississippi, podczas gdy na pokładzie są stale montowane kolejne maty.

Zaangażowanie w edukację

Carnegie Mellon Robotics Academy (CMRA) to placówka edukacyjna Carnegie Mellon University i część uniwersyteckiego Instytutu Robotyki o światowej renomie. W 2000 roku personel administracyjny i zespół programistów CMRA został przeniesiony do obiektów NREC. Akademia Robotyki jest zaangażowana w wykorzystywanie motywacyjnych efektów robotyki do ekscytowania uczniów nauką i technologią.

Misja Akademii Robotyki Carnegie Mellon:

• Rozwijać matematycznie kompetentną i technologicznie wykształconą siłę roboczą
• Wpływanie na zainteresowanie dzieci robotyką i powiązanymi technologiami jako obszarem nauki i przyszłej pracy
• Rozwijać przyszłych przedsiębiorców i pracowników dla regionu i kraju
• Wzmocnienie rozwoju gospodarczego tych technologii na szczeblu regionalnym i krajowym
• Opracowanie opartego na standardach programu nauczania dla nauczycieli szkół gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych
• Aby przyłapać dzieci bawiące się podczas eksperymentowania z nauką i technologią

Computer Science STEM Network (CS2N) to wspólny projekt badawczy między Carnegie Mellon University, w tym Akademią Robotyki, a Agencją Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA), mający na celu zwiększenie liczby studentów zajmujących się zaawansowaną informatyką i naukami ścisłymi, technologią, inżynierią i stopnie z matematyki (CS-STEM).

Zobacz też

• Robotyka

•   Fenton, Edwin (2000). Carnegie Mellon 1900-2000: Historia stulecia . Pittsburgh: Carnegie Mellon University Press. ISBN 0-88748-323-2 .

Linki zewnętrzne

• Oficjalna strona NREC