COMPUTING

Los aceleradores de hardware pueden mejorar drásticamente los tiempos de respuesta de los robots

(Crédito: onurdongel / Getty Images)
Un nuevo trabajo de investigación en robótica en el MIT sugiere que los cuellos de botella a largo plazo en la capacidad de respuesta de los robots podrían aliviarse mediante el uso de aceleradores de hardware dedicados. El equipo de investigación también sugiere que es posible desarrollar una metodología general para programar la capacidad de respuesta de los robots para crear plantillas específicas, que luego se implementarían en varios modelos de robots. Los investigadores visualizan un enfoque combinado de hardware y software para el problema de la planificación del movimiento.

“Ha surgido una brecha de rendimiento de un orden de magnitud en la planificación y el control del movimiento: los actuadores de las articulaciones del robot reaccionan a velocidades de kHz”, según el equipo de investigación, “Pero las técnicas en línea prometedoras para robots complejos, por ejemplo, manipuladores, cuadrúpedos y humanoides (Figura 1), están limitadas a cientos de Hz mediante software de última generación”.
Computación robomórfica

La optimización de los modelos existentes y el código para diseños de robots específicos no ha cerrado la brecha de rendimiento. Los investigadores escriben que algunos núcleos vinculados a la computación, como el cálculo del gradiente de la dinámica de cuerpos rígidos, toman del 30 al 90 por ciento de la potencia de procesamiento en tiempo de ejecución disponible en los sistemas emergentes de control predictivo de modelos (MPC) no lineales.

El campo específico de la planificación del movimiento ha recibido relativamente poca atención en comparación con la detección, percepción y localización de colisiones (la capacidad de orientarse en tres espacios en relación con su entorno). Para que un robot funcione de manera efectiva en un entorno 3D, primero debe percibir su entorno, mapearlo, localizarse dentro del mapa y luego planificar la ruta que debe tomar para realizar una tarea determinada. La detección de colisiones es un subconjunto de la planificación de movimiento.

El objetivo a largo plazo de esta investigación no es solo encontrar una manera de realizar la planificación del movimiento de manera más efectiva, sino también crear una plantilla para hardware y software que pueda generalizarse a muchos tipos diferentes de robots, acelerando tanto el desarrollo como tiempos de despliegue. Las dos afirmaciones clave del artículo son que las técnicas de optimización de software por robot se pueden implementar en hardware mediante el uso de aceleradores especializados, y que estas técnicas se pueden utilizar para crear una metodología de diseño para construir dichos aceleradores. Esto permite la creación de un nuevo campo de hardware optimizado para robots que ellos denominan “computación robomórfica”.

La metodología del equipo se basa en la creación de una plantilla que implementa un algoritmo de control existente una vez, exponiendo tanto el paralelismo como la dispersión de la matriz. Los parámetros específicos de la plantilla se programan con valores que se corresponden con las capacidades del robot subyacente. Los valores 0 contenidos dentro de las matrices se corresponden con movimientos que un robot dado es incapaz de realizar. Por ejemplo, un robot bípedo humanoide almacenaría valores distintos de cero en áreas de las matrices que regían el movimiento adecuado de sus brazos y piernas. Un robot con una articulación del codo reversible que se pueda doblar libremente en cualquier dirección se programaría con valores diferentes que un robot con un codo más parecido al humano. Debido a que estos modelos específicos se derivan de una plantilla común de planificación de movimientos, el código de evaluación para todas las condiciones podría implementarse en un acelerador de hardware especializado.

Los investigadores informan que implementar su estructura propuesta en una FPGA en lugar de una CPU o GPU reduce la latencia de 8x a 86x y mejora las tasas de respuesta en un total de 1.9x – 2.9x cuando la FPGA se implementa como un coprocesador. Mejorar los tiempos de reacción de los robots podría permitirles operar de manera efectiva en situaciones de emergencia donde se requieren respuestas rápidas.

Un rasgo clave de los robots y los androides en la ciencia ficción son sus reflejos más rápidos que los humanos. En este momento, el tipo de velocidad que muestra un Android como Data es imposible. Pero parte de la razón es que actualmente no podemos superar los límites de nuestros propios actuadores. Mejore la rapidez con la que la máquina puede “pensar” y mejoraremos la rapidez con la que puede moverse.

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