Robot e hardware accelerato: uno studio del MIT


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Da decenni sentiamo dire che i robot entreranno a far parte della nostra vita.

All’inizio ci sembrava qualcosa da film di fantascienza, ma con il passare degli anni ci siamo accorti che stiamo andando proprio in quella direzione.

Sono sempre di più gli scenari in cui i robot stanno comparendo.

Un esempio è dato dai robot che si muovono in grandi magazzini o in scenari industriali per completare un certo task, ad esempio localizzare e prelevare un prodotto o semplicemente di spostarlo da un punto ad un altro.

Anche l’ambiente domestico in realtà inizia ad essere invaso dai robot. Un esempio è dato dai robot che vengono utilizzati per la pulizia dei pavimenti.

Sono dispositivi molto semplici, ma c’è da aspettarsi che in futuro diventino più complessi.

In questo articolo voglio raccontarti di uno studio di alcuni ricercatori del MIT di Boston relativo allo sviluppo di un sistema interno al robot che gli permette di usare il proprio hardware per velocizzare la risoluzione dei propri obbiettivi.

Cercherò di spiegartelo in maniera molto semplice, ma ti assicuro che quello di cui ti parlerò è davvero avveneristico e sarà il futuro della robotica.

Costo computazionale elevato dei robot

Ci sono 3 principali steps che un robot deve risolvere mentre si trova in un ambiente: perception, mapping and localization e planning and control.

Primo step: il robot riceve i dati dell’ambiente esterno dai sensori che possiede.

Secondo step: il robot costruisce una mappa dello scenario attorno a se in base ai dati acquisiti e localizza se stesso all’interno della mappa.

Terzo e ultimo step: esegue il task che gli è stato detto di eseguire.

In generale, per un robot, eseguire queste operazioni in sequenza è molto oneroso in termini di computazionali e di conseguenza gli occorre molto tempo per completarli.

Questo è dovuto al chip o all’insieme di chip che costituiscono il cervello del robot che in generale non eseguono gli algoritmi associati a quegli step in modo veloce.

I ricercatori del MIT si sono chiesti si fosse possibile cercare di rendere l’hardware del robot più veloce.

L’accelerazione hardware si riferisce all’uso di un’unità hardware specializzata per eseguire determinate attività di elaborazione in modo più efficiente.

Un acceleratore hardware comunemente usato è l’unità di elaborazione grafica (GPU), un chip specializzato per l’elaborazione parallela.

Questi dispositivi sono utili per la grafica perché la loro struttura parallela consente loro di elaborare contemporaneamente migliaia di pixel.


Il team di ricercatori del MIT ha sviluppato un sistema che in base al tipo di robot, in base ai movimenti che deve svolgere, definisce l’hardware necessario per svolgerlo.

In questo modo si riesce ad ottimizzare l’utilizzo dell’hardware e ne risulta un’esecuzione del task più veloce.

Il sistema del robot

Il sistema crea un design hardware personalizzato per soddisfare al meglio le esigenze di elaborazione di un particolare robot.

L’utente inserisce i parametri di un robot, come la disposizione degli arti e il modo in cui possono muoversi le sue varie articolazioni.

Il sistema traduce queste proprietà fisiche in matrici matematiche.

Queste matrici sono “sparse”, nel senso che contengono molti valori a zero che corrispondono approssimativamente a movimenti impossibili data la particolare anatomia di un robot.

Questo è quello che accade anche per il corpo umano: i movimenti del tuo braccio sono limitati perché può piegarsi solo in alcune direzioni.

Il sistema progetta quindi un’architettura hardware specializzata per eseguire calcoli solo sui valori diversi da zero nelle matrici.

Il design del chip risultante è quindi personalizzato per massimizzare l’efficienza per le esigenze di elaborazione del robot. E quella personalizzazione ha dato i suoi frutti durante i test.

Risultati

L’architettura hardware progettata utilizzando questo metodo per una particolare applicazione ha superato la classica architettura con un’unità CPU e GPU standard.

Sebbene il team di ricercatori non abbia fabbricato da zero un chip specializzato, ha programmato un chip FPGA (Field Programmable Gate Array) personalizzabile in base ai suggerimenti del proprio sistema.

Nonostante operi a una frequenza di clock inferiore, quel chip si è comportato otto volte più velocemente della CPU e 86 volte più veloce della GPU.

I ricercatori del MIT prevede di automatizzare l’intero sistema di elaborazione robotica.

Gli utenti trascineranno semplicemente i parametri del loro robot e otterranno come output la descrizione dell’hardware.

Conclusioni

Questo articolo ti mostra come la ricerca relativa ai robot sia in grande sviluppo.

Se vuoi approfondire, qui puoi trovare l’articolo completo

Se sei un’appassionato di robotica e conosci qualche esempio ultra-moderno e all’avanguardia della ricerca, ti invito a parlarne nei commenti.

Al prossimo articolo, ciao!

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Fabio Bernardini

Fabio Bernardini

Sono laureato in Ingegneria delle Telecomunicazioni e adesso lavoro come dottorando al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione a Pisa. Mi occupo di progettare sistemi di localizzazione in tempo reale in ambienti indoor o outdoor in ambito Internet of Things per l’Artificial Intelligence e il Data Science. Sono in costante contatto con persone che come me credono che l’Internet of Things sia la base per la rivoluzione digitale del nostro Paese. Per tale motivo creo contenuti su questo ambito e mi aggiorno continuamente.

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