Как работает робот

Как работает робот? Устройство робота простыми словами

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек придумал название для механизма, изобретенного для выполнения работы вместо человека — “робот”. Определение со временем прижилось и с конца XX столетия стало обозначать систему узлов, датчиков и механизмов, предназначенную для выполнения набора операций в соответствии с заложенной программой.

Прогресс науки и техники позволил инженерам-конструкторам создавать все более совершенные машины, способные заменить человека в экстремальных условиях: в космосе, под водой, на поле боя. Робот не знает усталости, способен выполнять без ошибок точнейшие движения — именно поэтому роботизированные механизмы постепенно вытесняют человеческий труд на производстве.

(Типы роботов)

Существуют десятки основных типов роботов, которые отличаются по нескольким параметрам — от назначения до внешнего вида. Для того, чтобы понять, как работает робот, рассмотрим его вид, наиболее приближенный к облику человека — робот-андроид.

Материалы для изготовления

Материалы, которые используют для получения узлов, механизмов и каркаса робота, зависят от нескольких факторов:

• Назначения машины;
• Условий ее работы;
• Заданных характеристик (веса, габаритов).

Наиболее часто используют полимеры всех типов, сталь с добавками, повышающими гибкость и прочность, алюминий, резину, карбоновые материалы, сплавы с содержанием титана.

Конструкция андроида

Человекоподобный робот состоит из нескольких основных частей:

• Голова — верхняя часть конструкции;
• Торс — основной каркас робота;
• Руки-манипуляторы с силовыми механизмами;
• Ноги-шагоход из двух нижних конечностей, если шасси, то гусеничного привода.

(Наглядная конструкция робота)

Вопреки распространенному мнению, что в голове андроида, как у живого человека, находится “мозг”, т.е. компьютер или центральный процессор, чаще всего в верхней части механизма располагаются другие элементы системы: видеокамеры, датчики, гироскоп. Это обусловлено сравнительно небольшими размерами “головы”, внутреннее пространство которой не способно вместить большой объем электроники.

Торс — наиболее защищенная часть робота. Во внутреннем пространстве каркаса размещают электронику, управляющую системой, автономный источник питания (аккумулятор).

(Классическая рука-манипулятор)

Захват/перемещение груза, выполнение других операций, включая действия с инструментом — задачи для верхних конечностей — манипуляторов. Кистевые окончания могут иметь форму и функцию кистей человека.

Роботы-андроиды передвигаются шагами на двух “ногах”. Шасси копирует антропологические особенности строения человеческого тела: ноги состоят из нескольких составных частей, соединенных суставами-шарнирами. Отдельные модели роботов способны бегать, т.е. перемещаться таким образом, что обе ноги в момент движения не касаются поверхности.

Голова

Для распознавания окружающей обстановки — предметов, особенностей ландшафта — роботизированные комплексы оснащают видеокамерами (рисунок 1) с высоким разрешением. Их обычно размещают в голове андроида. Благодаря камере (или нескольким камерам) машина может идентифицировать (распознать) окружающие объекты, оценить их размер и расстояние до предметов.

В зависимости от ландшафта или особенностей архитектуры здания робот способен принять решение о способе передвижения и смещении центра тяжести, например, при подъеме/спуске по ступеням или наклонным поверхностям, преодолении рва или препятствия.

(Рисунок 1. Глаз-видеокамера слежения робота)

Видеокамеры оснащают несколькими модулями для получения дополнительной информации:

• В инфракрасном диапазоне;
• В режиме тепловизора.

Кроме камер, конструкция роботов предусматривает использование системы датчиков, которые определяют пространственное положение андроида на местности или в помещении, силу сжатия манипуляторов, скорость перемещения и т.п. Наиболее важный датчик для андроида — гироскоп, именно он сохраняет устойчивое вертикальное положение машины во время движения. Именно таким устройством оснащен робот-андроид Atlas, детище американской компании Boston Dynamics. От датчиков и камер информация поступает в “мозг” машины — компьютер или систему компьютеров.

Торс

В самой защищенной и просторной части робота устанавливают электронные платы системы управления и автономные источники питания.

Во время выполнения миссии роботом управляет компьютер — набор микросхем, предназначенный для получения, накопления информации, ее обработки и отправления сигналов к исполняющим механизмам, работающих при помощи двигателей (рисунок 2). Прогресс компьютерной техники позволяет устанавливать в андроиды все более совершенные системы анализа, способные использовать несколько наиболее продвинутых технологий:

• Распознавание объектов;
• Распознавание речи;
• Распознавание движений, жестов;
• Самообучение на основании получаемой информации;
• Запоминание внешнего вида объектов, лиц людей.

Поставить задачу перед андроидом можно программным способом, т.е. путем внесения перечня команд в ЦПУ, либо вербально, произнеся набор слов для начала выполнения задачи. Отдельные модели андроидов способны реагировать на жесты рук, изменение местоположения человека.

Система управления роботом очень напоминает построение нервной системы человека в зависимости от его развития:

• Прямое выполнение конкретных команд оператора;
• Необходимость постоянной корректировки действий андроида при выполнении общей задачи;
• Ввод конечной цели (указание направления действий).

В первом случае в памяти машины записаны команды, которые ЦПУ (центральный процессор) подает к исполнительным механизмам для выполнения определенных операций. Например, перемещение робота, изменение положения манипулятора и т.п. по команде оператора. Одна из самых дешевых и простых в изготовлении моделей.

При передвижении андроида из точки А к точке Б вмешательство оператора необходимо в случаях, когда набор алгоритмов (заранее записанных в память действий) не предусматривает преодоление сложных препятствий (к примеру).

Более продвинутый интеллект, получив информацию от системы датчиков, видеокамер, самостоятельно оценивает обстановку и выбирает наиболее оптимальное решение самостоятельно.

(Рисунок 2. Двигатель постоянного тока)

Основным источником энергии для современных роботов-андроидов является электричество. Источник питания может быть:

• Автономным — аккумуляторы, солнечные батареи;
• Внешним — электроэнергия подается по кабелю.

В первом случае машина не привязана к энергоресурсу, способна выполнять задачи на любом удалении от зарядной станции. Из недостатков — увеличенный вес робота, малое время работы. Кабельное снабжение электроэнергией имеет свои плюсы: меньший вес андроида, возможность использования большего числа узлов, датчиков, механизмов, неограниченное время работы.

Руки-манипуляторы

Манипуляторы копируют структуру рук человека (рисунок 3) и состоят из нескольких частей, соединенных шарнирами:

(Рисунок 3. Рука-манипулятор)

Манипуляторы имею несколько степеней свободы, т.е. робот может поднять руки, развести их в стороны, вращать кисти, производить захват предметов «пальцами». Манипуляторы приводятся в действие силовыми механизмами — сервоприводами. Часто для аккуратной и точной работы пальцы оснащают специальными датчиками, которые регулирую силу сжатия. Вместо грузозахватных приспособлений в кистевые отделы манипуляторов устанавливают другие приборы и механизмы: сварочные аппараты и т.д.

Ноги-шагоход

По аналогии со строением тела человека роботы-андроиды передвигаются шагами. Конструкция ног предусматривает возможность передвигаться бегом, преодолевать различные препятствия (лестницы, ямы, наклонные поверхности). Ноги, как и руки-манипуляторы, приводятся в действие двигателями (рисунок 4).

(Рисунок 4. Шаговой двигатель)

Для всех типов роботов используют несколько типов исполнительных механизмов:

• Механические;
• Электрические;
• Гидравлические;
• Пневматические;
• Гибриды (электромеханические, гидромеханические и т.д.).

Из-за особенностей конструкции роботов-андроидов (небольшие габариты, система шасси — шагоход) для механизации узлов наиболее часто используют сервоприводы или сервомоторы (рисунок 5), основу которых составляет электрический двигатель.

(Рисунок 5. Сервомотор)

В отличие от обычного электромотора, комплектный сервопривод способен:

• С высокой точностью определять и изменять угол положения вала;
• Потреблять ровно столько электроэнергии, сколько необходимо для выполнения определенного действия;
• Снижать нагрузку на детали робота, увеличивая их ресурс.

Работа-действие робота

Пример работы всех систем робота-андроида в связке

• Тип робота: андроид
• Способ управления: автономный
• Задача: преодолеть лестничный пролет

1. После включения питания загружается ЦПУ, которая проводит проверку всех систем.
2. После получения подтверждения об исправности машины компьютер стабилизирует вертикальное положение андроида при помощи гироскопа, оценивает препятствие камерами.
3. Установив дальность до первой ступени и ее высоту, расстояние до других близко расположенных объектов, робот начинает движение.
4. Сервоприводы приводят в действие нижние конечности, которые поднимают опорные площадки (стопы) на нужную высоту.
5. Равновесие машины поддерживает гироскоп.
6. После преодоления последней ступени робот останавливается либо продолжает движение вперед в зависимости от программы или полученной команды.

Как сделать робота с нуля. С чего начать

Я разрабатываю роботов и меня часто спрашивают — «как сделать робота», «где ты находишь информацию, какие ресурсы используешь»? Если вы не знаете с чего начать и хотите сделать собственного робота — эта статья для вас — в ней я постараюсь объяснить процесс, а также расскажу какие должны быть первые шаги.

Чуть-чуть обо мне

Долгое время я работал на различных предприятиях инженером-конструктором, занимался проектированием механической части устройств. Там я овладел специализированными программами 3Д-проектирования. Также занимался обучением учеников старших классов в ЦМИТе (3Д-печать, САПР, ЧПУ). Несколько лет назад я перешел в другую профессиональную сферу и стал фронтенд девелопером. Также с детства я увлекался робототехникой, данная тема меня всегда интересовала. Стартовой точкой идеи создания своего робота у меня стала покупка робот-пылесоса, мне понравилась идея управления устройством через приложение на телефоне.

Что такое робот?

• Механическая часть — это непосредственно тело робота: корпус, двигатели, прочие механизмы.
• Электрическая часть — это то, с помощью чего осуществляется контроль механической части: вращение двигателей, управление другими механизмами. Сюда можно отнести мини-ПК, платы управления двигателями, ультразвуковые датчики, гироскопы и прочее.
• Программная часть — эта часть, включающая в себя всю логику робота — движения, выполнение команд, интерфейс взаимодействия человека — робота. Это может быть приложение, сайт, терминал.

С чего начать

Предлагаю вам ответить на следующие вопросы:

• Что вы хотите? — Вы хотите создать все три части робота с нуля, или взять готового и написать только программную часть? Существует много готовых решений как для механической части, так и для электрической, причем все они довольно доступны в цене и продаются на таких платформах как amazon или aliexpress. Также есть полностью готовые роботы, которые нужно только собрать и написать свой собственный софт. Если вас интересует создание робота полностью с нуля, в данном случае вы можете закупить необходимые детали и полностью спаять всю электронику самостоятельно. Особенные энтузиасты создают все модули сами, начиная с редукторов и заканчивая электроникой. Также различные детали можно изготавливать на 3Д принтерах или на ЧПУ станках.
• Что будет делать ваш робот? — Здесь надо определиться с основным функционалом — будет ли это шагающий робот, робот на колесах, робот — манипулятор и т. п. В процессе никто не мешает нам добавлять новые функции, но без базы это будет сложно. Не обязательно создавать робота с какой-то полезной нагрузкой — быть социально значимым и делать общество лучше. Пусть он просто передвигается или крутит головой, этого вполне достаточно на первом этапе.
• Что вы уже умеете? Насколько вы владеете тем или иным языком программирования. Мой выбор пал на JavaScript (тут понятно почему), но можно и на C++, Python. Перед началом создания робота желательно иметь какие-нибудь навыки программирования.

Как съесть слона?

Ответ очень простой — надо разбить сложную задачу на подзадачи того размера, с которыми вы можете справиться.

Иным словами, я предлагаю начинать с чего‑то простого, например управлением светодиодом или обычным вращением двигателем. Так, постепенно усложняя задачи и двигаясь по спирали, вы будете добавлять необходимый функционал на каждой итерации и в итоге устройство превратится в полноценного робота. Нет ничего страшного в том, если придется откатиться назад и переделать какую‑либо часть, созданную раннее — это обычный подход при проектировании.

Мой личный опыт. Небольшой экскурс.

У меня была идея сделать робота, управляемого через интернет. Корпус я решил спроектировать сам и распечатать его на 3Д принтере. Различные электрические устройства приобрел на китайском маркетплейсе — это двигатели, мини-компьютер, драйвера управления двигателями, гироскоп и ультразвуковые датчики, аккумуляторы. На самом первом этапе была цель — заставить двигатель вращаться, светодиод — светиться.

Далее приступил к проектированию корпуса. Перед этим закрепил электронику на алюминиевых профилях, таким образом можно было уже тестировать управление. Среди знакомых оказался владелец 3Д принтера, и он распечатал мне детали.

Параллельно занимался разработкой приложения для управления роботом — веб интерфейса и аппаратной части. Для веб интерфейса использовался React, аппаратная и серверная части были написаны на Node.js.

В итоге был создан робот и протестирован на улице. Весь процесс занял у меня около года — с момента первого мигания светодиода до полноценного устройства.

Далее я приступил к разработке шагающего робота, но это совсем другая история.

Заключение

Если вами интересна данная тема, я напишу более подробно детали реализации. Помните, самое сложное — это начать, проверено на себе.

Как работает робот Atlas от Boston Dynamics?

Как Boston Dynamics удалось научить робота Atlas бегать, прыгать, делать сальто и танцевальные па? О секретах робота рассказали основатель Boston Dynamics Марк Райберт и инженер компании Скотт Куиндерсма. Это статья подготовлена по материалам их выступления. Но как говорится, лучше 1 раз увидеть, чем 100 раз прочитать, поэтому смотрите наше видео:

Говоря об умных роботах, первое, что надо понимать, что у машин, как и у людей, есть два типа интеллекта: двигательный и когнитивный. Когнитивный интеллект позволяет осознать проблему и понять, как ее решить. Двигательный интеллект позволяет управлять телом, не задумываясь о том, как ходить или прыгать, управлять своей энергией, рассчитывая силы на то или иное действие, а также воспринять информацию в реальном времени для взаимодействия с окружающей средой. Подход Boston Dynamics к своим роботам заключается в том, чтобы сначала создать надежный и работоспособный в любых обстоятельствах двигательный интеллект. Далее приступать к созданию когнитивного, которому будет проще планировать действия робота, опираясь на развитый двигательный интеллект. И затем инженеры должны наладить взаимодействие двигательного и когнитивного интеллектов. Atlas использует свое восприятие в реальном времени для того, чтобы определить местонахождение препятствий, выбрать места опоры для ступней и координировать перенос массы тела во время движения, удерживаясь на ногах. Atlas воспринимает свое окружение так, как вы сейчас видите на экране. Во время своего движения он решает, есть ли возможность избежать препятствие, и регулирует положение тела, опираясь на расчетную траекторию, но учитывая обратную связь при выполнении расчетных действий. Такой результат обеспечивается не только программным обеспечением и элементами управления, но и конструкцией робота. Самой важной деталью робота является очень компактный гидравлический силовой агрегат массой всего 5 кг и мощностью 5 кВт. Он разработан Boston Dynamics и вмещает электродвигатель, насос, резервуар, аккумулятор, несколько фильтров, электронику и систему охлаждения. Все это помещено в прочный корпус и размещено прямо внутри робота. Агрегат питается от легкой батареи емкость 1400 ватт*час, также разработанной Boston Dynamics. Прочный корпус не позволит аккумулятору загореться, если робот упадет. Инженерам компании вообще многое пришлось создавать с нуля. И пространственную конструкцию рамы и ног, которые должны быть легкими, но очень прочными. И легкие гидравлические сервоклапаны особой конструкции. И, напечатанный на 3Д принтере гидравлический коллектор, вмещающий все 18 клапанов, а также сразу содержащий в своей структуре напечатанные фитинги и шланги, чтобы максимально облегчить конструкцию. Робот контролирует свое передвижение в реальном времени с помощью камер, расположенных на передней части его условной головы. В руках и ногах робота в общей сложности 28 суставов. В области таза и по всему телу робота размещены датчики, которые измеряют ускорение робота, положение его тела в пространстве при движении и другие параметры его взаимодействия с окружающим миром. Робот активно балансирует во время ходьбы, бега и трюков. Он умеет использовать силу инерции, чтобы экономить энергию. Он осматривает местность и ощущает ее через сенсоры в стопах, одновременно регулируя силу, прилагаемую ногами к земле. Каждый прыжок, кувырок или сальто требует от робота массы вычислений. Инженеры подчеркивают, что все роботы компании держат равновесие самостоятельно. Это означает, что если вы толкнете любого из них, то он отреагирует как человек, сделав шаг в сторону. Atlas не выбирает, что ему делать. Команды отдает оператор. Он нажимает кнопки, подсказывая роботу, что здесь надо прыгнуть, здесь сделать сальто, а тут повернуться. Но вычислять, как именно сделать такое движение в данных условиях из текущего положения, роботу приходится самому. Как это ему удается? Давайте рассмотрим, как программируют и создают элементы управления для робота. Подход Boston Dynamics к программированию основан на прогнозирующей модели. Это означает, что исследователи используют всю имеющуюся у них информацию о роботе для того, чтобы разработать алгоритмы управления динамическими характеристиками. Также они проводят очень много предварительных вычислений всего, что может пригодиться роботу для выполнения той или иной задачи. Например, для Atlas создана целая библиотека предварительно рассчитанных траекторий движения. Система управления роботом берет информацию о предварительно рассчитанных траекториях и адаптирует ее к текущим условиям, информацию о которых собирает система восприятия. Atlas выбирает из библиотеки подходящую для выполнения задачи траекторию, а затем изменяет ее в соответствии с текущими условиями.Пока робот не может обучаться новым движениям самостоятельно, на основе предыдущего опыта, а действует строго по запрограммированным моделям. Хотя инженеры Boston Dynamics наверняка уже думают о его самообучении. Что касается системы восприятии робота, то здесь Boston Dynamics использует геометрическую сегментацию. Робот буквально разбивает окружающее пространство на локальные области с простыми геометрическими формами. Эти формы становятся входными данными для системы планирования, которая продумывает несколько шагов вперед так, чтобы робот удержал равновесие, правильно использовав свои руки и ноги. Но эта информация не является статичной, она изменяется в режиме реального времени, позволяя роботу лучше приспосабливаться к условиям и избегать ошибок предварительных расчетов. Большой плюс робота Atlas в том, что раз научившись делать сальто он изо дня в день может делать его точно так же, с той же эффективность. Это помогло инженерам в создании потрясающего видео танцующих роботов. Чтобы научить Atlas танцевать, компания привлекла хореографа. Предварительная работа заключалась в том, чтобы определить, какие идеи настоящего танцора можно попытаться реализовать с помощью робота. Инженеры использовали моделирование, чтобы быстро перебрать концепции движения, которые по силам выполнить роботу. Идеи сначала реализовывали в симуляции, вносили коррективы, а затем пробовали на роботе. Инженеры описывают процесс, как конвейер. Когда множество разнообразных движений описывалось множеством входных данных и реализовывалось роботом. В итоге, на создание танца потребовалось несколько месяцев напряженной работы. В Boston Dynamics признают, что надежность робота Atlas пока нельзя сравнить с тем же показателем робота Спот. Его обслуживание занимает много времени, но инженеры не собираются останавливаться. Так, скоро Atlas научится работать руками. Не просто переставлять коробки или балансировать с помощью рук, а полноценно выполнять сложные задачи, чтобы руки робота стали такими же ловкими, как и ноги. А вы как думаете, чему еще следует научится самому продвинутому роботу в мире? Если вы хотите сами посмотреть презентацию Марка Райберта и Скотта Куиндерсма, то вот ссылочка.

• роботы
• робототехника
• робототехника своими руками
• робот atlas
• bostondynamics
• boston dynamics
• будущее
• будущее здесь
• proроботов

• Разработка робототехники
• Робототехника
• Научно-популярное

Как создаются роботы, способные пройти там же, где и мы

Роботы уже много десятилетий умеют ходить на двух ногах. Сегодня наиболее передовые гуманоидные роботы могут шагать по плоским и наклонным поверхностям, подниматься и спускаться по ступеням и пробираться по пересечённой местности. Некоторые даже умеют прыгать. Но, несмотря на этот прогресс, роботы с ногами до сих пор не могут сравниться по ловкости, эффективности и надёжности с людьми и животными.

Существующие шагающие роботы жрут энергию и слишком много времени тратят на тренировки. Слишком часто они отказывают и ломаются. Чтобы стать роботизированными помощниками, о которых мы так давно мечтали, эти машинам придётся научиться ходить так, как мы.

Нам обязательно нужно создать роботов с ногами, поскольку наш мир предназначен для ног. Мы проходим через узкие места, мы обходим препятствия, мы поднимаемся и спускаемся по ступенькам. Роботам на колёсах или гусеницах тяжело передвигаться в тех местах, которые мы приспособили для наших тел.

И у многих гуманоидных роботов действительно есть ноги, выглядящие так же, как наши – с бёдрами, коленями, лодыжками и ступнями. Но на этом всё сходство заканчивается. Если, к примеру, сравнить силу, с которой робот давит на землю, с такой же у человека, выяснится, что часто они сильно отличаются. Большая часть гуманоидных роботов, происходящих от ранних примеров промышленных роботизированных захватов, контролируют конечности так, чтобы они точно двигались по заданным траекториям. Однако передвижение на двух ногах требует не столько контроля положения, сколько контроля силы, и подразумевает большой диапазон гибкости и эластичности – известной в робототехнике, как податливость [compliance] – позволяющий справляться с неожиданными контактами.

Многие исследовательские группы пытаются создавать менее жёстких роботов, способных двигаться более динамичным, человекоподобным образом. Наиболее известным среди таких проектов, наверное, будет Atlas от Boston Dynamics, гуманоид, способный бегать по жёсткой и мягкой почве, перепрыгивать через брёвна и даже делать сальто назад. Но опять-таки, сравнивая движение самых сложных роботов с животными, мы видим, что машины не дотягивают.

Чего же нам недостаёт? Технология – не самая большая проблема: моторы достаточно мощные, материалы достаточно прочные, компьютеры достаточно быстрые. Ограничением, видимо, служит наше понимание того, как работает ходьба.

Роботы Кэсси (слева) и Диджит от Agility Robotics

В Лаборатории динамической робототехники при Орегонском университете я руководил группой исследователей, пытавшихся разобраться в базовых принципах ходьбы и применить эти открытия к роботам. Я также сооснователь и технологический директор компании Agility Robotics, стартапа, находящегося в Олбани (Орегон), изучающего вопросы коммерческого использования ходящих роботов. В 2017 году мы открыли миру Кэсси, двуногую платформу, которую мы продали нескольким исследовательским группам. Вскоре наш новый робот сможет выйти в мир: у Диджита ноги похожи на ноги Кэсси, однако у него есть датчики и пара рук, которую он использует для стабилизации, а в будущем – и для манипуляций.

Как в лаборатории, так и в компании, мы работаем над созданием будущего, в котором роботы смогут пройти везде, где могут люди. Я считаю, что роботы с динамическими ногами когда-нибудь смогут помогать ухаживать за престарелыми людьми у них дома, участвовать в спасательных операциях при пожарах и землетрясениях, и доставлять посылки на дом. Роботы с ногами также позволят создать экзоскелеты и протезы, которые помогут увеличить мобильность людей с ограниченными возможностями. Они, наконец, привнесут в реальность роботов из научной фантастики.

Некоторые птицы бегают лучше, чем летают, или даже вообще не летают. Страусы, индейки, цесарки и перепела не могут парить, как ястреб, но быстро передвигаются пешком. Мы с коллегами из лаборатории и с Моникой Дэйли из Королевского ветеринарного колледжа при Лондонском университете провели бесчисленные часы за наблюдением шагающих и бегающих по лаборатории птиц. Мы хотим понять, как эти животные способны двигаться так проворно и эффективно – и ведь большая часть этих пернатых машин работает на семенах!

В одном эксперименте цесарка бежит по дорожке, а потом наступает на яму, замаскированную кусочком салфетки. Животное не знало, что наступит в яму глубиной примерно в половину длины ноги, однако оно не споткнулось, а его нога вытянулась и приспособилась к углублению на бегу. В данном процессе происходит нечто примечательное: мозгу птицы не нужно чувствовать и реагировать на возмущение, поскольку её ноги справляются с этим сами.

Это даёт важную идею для разработчиков роботов: если вы сначала создадите робота, а потом решите запрограммировать его на ловкие движения, у вас ничего не получится. Как в случае с цесаркой, ловкость робота по большей части будет происходить от механических свойств его тела, от того, что робототехники называют пассивной динамикой. И ею пренебрегают в большинстве проектов по разработке роботов с ногами. Тщательно разрабатывая пассивную динамику робота параллельно с программной начинкой, сводя их в интегрированную систему, вы увеличиваете шансы на появление робота, приближающегося по характеристикам к животному.

Стоит отметить, что, хотя мы и черпаем вдохновение у животных, мы не воспроизводим форму стопы птицы или конструкцию мускулов и костей в ноге человека. Мы хотим понять физику движения животных и вывести из неё абстрактную математическую модель, которую можно понять, проверить в компьютерных симуляциях, и воплотить в реальных роботах. Поскольку при создании роботов мы используем металл и электронику вместо костей и мозгов, они могут сильно отличаться от животного, используя при этом такую же физику.

Одна из простейших математических моделей описывает точечную массу (туловище), соединённую с парой идеальных пружин (ноги). Эта модель пружина-масса, конечно, упрощённая; она напоминает человечка из чёрточек и не учитывает наличие у ног суставов, или то, что ступни не касаются земли в изолированных точках. И всё же модель пружина-масса может выдавать неожиданные результаты. В симуляциях она может воспроизвести почти все походки, которые используют люди и животные для шага и бега.

Первые шаги: ноги робота ATRIAS не похожи на человеческие, но он был первой машиной, демонстрировавшей походку, похожую на человеческую

Для проверки модели пружина-масса мы разработали двуногого робота ATRIAS, чьё имя является акронимом нашего основного предположения: Assume The Robot Is A Sphere [представим, что робот – это сфера]. Идея была в том, что пассивная динамика робота может как можно точнее воссоздавать модель точечной массы с пружинными ногами.

Каждая нога делается из лёгких углеволоконных стержней, собранных в параллелограмм, известный, как шарнирный четырёхзвенник. Подобная структура минимизирует массу ног и их инерцию, приближая систему к модели пружина-масса. Верхнюю часть ног мы оборудовали фиберглассовыми пружинами, физически реализующими «пружину» модели, обрабатывающими соударения с землёй и хранящими механическую энергию.

Сначала ATRIAS едва мог стоять, и мы поддерживали его при помощи верхней привязи. Но мы совершенствовали контроллер, отслеживающий скорость и наклон тела, и робот сначала начал делать первые шаги, а потом свободно ходить по лаборатории. Затем ATRIAS научился восстанавливаться после возмущений – в одном из экспериментов мои студенты швырялись в него мячами. Ещё мы отвезли ATRIAS на университетское футбольное поле, ускорили его до максимальной скорости в 7,6 км/ч, и затем быстро остановили.

Чтобы лучше понять, что делал робот, представьте, что вам завязали глаза, вы ходите на ходулях, а ваше туловище завёрнуто в ковёр, и вы не можете использовать руки для балансировки. Вы можете только шагать дальше – это и делал ATRIAS. Он даже мог справляться с препятствиями, например, с кучей дров на пути.

И, хотя ловкость была важной составляющей, также было очень важно экономично расходовать энергию. Мы подтвердили экономичность робота, измерив параметр, известный, как стоимость перемещения [cost of transport, COT]. Он определяется, как отношение энергопотребления (мощности) к произведению веса на скорость, и используется для сравнения энергоэффективности перемещения животных и машин. Чем ниже СОТ, тем лучше. У шагающего человека СОТ равен 0,2, а у обычного гуманоидного робота этот показатель гораздо больше – от 2 до 3, по некоторым прикидкам. Наши эксперименты показали, что у ATRIAS в шагающем режиме СОТ равен 1,13, что демонстрирует эффективность динамических роботов. И в самом деле, питаясь от нескольких литий-полимерных аккумуляторов – таких, что используются в машинках на радиоуправлении – ATRIAS мог бы проработать примерно час.

Мы также измерили силу, с которой робот давит на землю. Мы поставили ATRIAS весом в 72,5 кг (примерно как средний человек) на силовую платформу – этот инструмент часто используется в спортивной медицине для оценки походки человека через измерение сил реакции. При ходьбе робота мы записывали данные по силам. Затем место ATRIAS занял один из моих студентов, и мы записали его шаги. Построив график зависимости реакции опоры по времени, мы увидели, что он точно совпадает с графиком робота. Насколько нам известно, это наиболее реалистичная реализация динамики человеческой походки у роботов на сегодня.

Результаты подтвердили, что простую динамическую систему пружина-масса можно реализовать у робота. Она обладает множеством полезных свойств, таких, как эффективность, надёжность и гибкость, и добирается до сути ходьбы. Настало время создавать следующего робота.

Для передвижения по сложной местности Кэсси использует пять моторов и по две пружины на каждой ноге

Кэсси, как и ATRIAS, динамический шагающий робот. Мы оптимизировали все аспекты его дизайна с тем, чтобы создать надёжного и способного робота, пригодного для коммерциализации. И мы поставили высокую планку: мы хотели, чтобы Кэсси могла бегать по лесу, ходить по пересечённой местности и работать по нескольку часов от батареи без поддерживающего подвеса.

Кэсси строится на тех же концепциях, что использовались для ATRIAS, но мы решили сделать ей совершенно новые ноги. Раньше мы использовали два мотора для питания каждого четырёхзвенника на каждой ноге. Такая схема минимизирует их массу, но есть и недостаток: во время ходьбы один мотор тормозил другой, что приводило к потерям энергии. При работе над Кэсси мы изучали другие конфигурации ног, чтобы устранить этот эффект. Новая схема позволяет сделать моторы меньше, и робот стал ещё эффективнее, чем ATRIAS.

Важно отметить, что конфигурация ног Кэсси стала результатом этого анализа. То, что нога напоминает ногу страуса или другого теропода, может говорить о том, что мы находимся на правильном пути, но мы не стремились создать робота, который после покрытия его оперением смог бы затеряться в стае эму.

У каждой ноги Кэсси есть пять осей движения – или степеней свободы, говоря по-робототехнически – и каждой управляет свой мотор. У бёдер есть три степени свободы, как у наших, что позволяет ноге поворачиваться в любом направлении. У двух других моторов оси находятся в колене и ступне. У Кэсси есть дополнительные степени свободы в голени и лодыжке; они пассивные, и не контролируются моторами, а приделаны к пружинам, что позволяет роботу двигаться по сложной местности, неподвластной плоскостопным гуманоидам.

Новые ноги Кэсси потребовали создания более сложного низкоуровневого контроллера, чем был у ATRIAS. ATRIAS вытягивал ногу, просто прикладывая равные по силе и противоположные по направлению крутящие моменты с обоих моторов. У Кэсси передвижение ноги в определённом направлении требует расчёта разных крутящих моментов для разных моторов. Для этого контроллер должен учитывать инерцию ног и динамику моторов и коробок передач.

Контролер Кэсси использует запланированные шаги и динамическую балансировку

Да, задача контроллера стала сложнее, но этот метод позволяет эффективнее ходить и использовать более широкий спектр поведения. Кэсси может идти со скоростью до 5 км/ч, используя один из первых контроллеров. Энергопотребление разнится от 100 Вт (стоя) до 300 Вт (в движении), и на литий-ионной батарее она может работать 5 часов. Также новые ноги позволяют Кэссии лавировать так, как этого не мог ATRIAS. А благодаря мотору в суставе ступни она может стоять, без необходимости постоянно двигаться, так, как это делал ATRIAS.

Также Кэсси весит всего 31 кг, в два раза меньше, чем ATRIAS. Двух Кэсси можно загрузить в багажник машины менее чем за минуту. А ещё она более надёжная: её части сделаны из алюминия и углеволокна, а защитный корпус из прочного пластика акрил-поливинилхлорида, защищает её от столкновений и падений.

Пока что Кэсси не умеет бегать по лесу. Но мы водили её на улицу, без страховки, и она ходит по земле, траве и павшим листьям. Сейчас мы изучаем вопрос интеграции динамического поведения робота с планированием движений, что позволяет ей, к примеру, подниматься по ступенькам. Мы также работаем над ещё одной возможностью, которая сделает роботов типа Кэсси более полезными: над руками.

У Диджита есть ноги, как и у Кэсси, но ещё у него есть туловище с датчиками внутри и пара рук, помогающих ему с мобильностью и балансом.

Диджит – прямой потомок Кэсси. У него похожие ноги, но мы добавили ему туловище с датчиками внутри и пару рук. Они специально сделаны для того, чтобы помогать ему с мобильностью и балансом, и качаются в соответствии с походкой. Они также позволяют Диджиту поддержать себя при падении и переиориентировать своё тело, чтобы встать.

У Диджита есть кое-что ещё, чего нет у Кэсси: встроенное восприятие. Мы добавили ему множество датчиков, включая лидар в верхней части тела. Датчики помогают ему собирать данные, что позволяет роботу передвигаться в мире, полном препятствий, например, в захламлённых комнатах и по ступеням, и полагаться на стабильную динамику только в неожиданных ситуациях и при ошибках датчиков.

Диджиту, и роботу с ногами, который появится после него, предстоит ещё многому научиться. Но мы убеждены, что они изменят мир. Их влияние может сравниться с автомобилями в плане изменения стиля жизни людей, закономерностей дорожного движения и схем городов, где эти роботы обещают преобразовать логистику и доставку посылок.

В недалёком будущем, когда появятся робомобили, у производителей автомобилей и компаний, обеспечивающих совместные поездки, типа Lyft и Uber, будут свои огромные парки из машин, перевозящих людей, и максимум трафика будет приходиться на час пик, прямо как сегодня. Но чем будут заниматься эти машины поздно ночью и в середине дня? Они могут не простаивать, а перевозить посылки из автоматических складов до вашей двери. Однако эти машины смогут доехать только до тротуара – без человека доставить посылку до двери довольно сложно. И тут вступают в дело шагающие роботы. Они будут ездить в таких автомобилях и проходить последние несколько метров. И хотя колёса и крылья могут исполнять часть этих ролей, в мире, предназначенном для двуногих, ни одна другая платформа для передвижения не будет столь гибкой, как робот на ногах.

Диджит учиться ходить по разной местности и подниматься по ступеням, чтобы однажды он смог доставлять посылки прямо до двери

Роботы-доставщики будут частью всё более автоматизируемой системы логистики, где посылки от производителя сразу доставляются до вашей двери. Эта система уменьшит стоимость доставки так, что посылки доставлять будет дешевле, чем покупать их в крупных, хорошо освещённых, подогреваемых складах с доступом человека. Мелкооптовые магазины станут ненужными. Люди, конечно, смогут наслаждаться покупками некоторых вещей. Но ежедневные продукты будут доставлять роботы, экономя вам время и деньги.

Двуногие роботы смогут проникнуть в наши дома и офисы. Они могут ходить по ступеням и в заставленных помещениях, взаимодействовать с людьми на безопасном уровне глаз и на человеческом масштабе, что позволит нам достойно стареть в наших домах. Они помогут таскать вещи и будут работать как устройства удалённого присутствия, что позволит членам семьи и друзьям использовать робота для того, чтобы общаться с людьми удалённо и составлять им компанию.

Роботы на ногах смогут пробираться туда, где людям находиться опасно. Они будут прыгать с парашютом в лесные пожары для сбора данных в реальном времени, бежать в горящие здания в поисках жителей, заходить на территорию катастроф, таких, как атомная станция Фукусима, изучая труднодоступные территории. Они будут регулярно инспектировать внутренние части гидроэлектростанций и заброшенных шахт, чтобы этого не пришлось делать нам.

Чтобы попасть в это будущее, нам нужно решить множество проблем. Но я убеждён, что сообщество робототехников может сделать эту технологию практичной. Это будет один маленький шаг для робота и огромный скачок для всего человечества.

• Разработка робототехники
• Искусственный интеллект