Шагающие роботы

    Пример  шагающего аппарата

    В качестве достойного примера шагающей машины можно рассмотреть разработку Донецкого Национального Технического Университета – шагающий аппарат «Катарина».

     Шагающий аппарат содержит корпус, снабженный шестью ногами. В центре корпуса расположен гироскопический  датчик, сообщающий системе управления информацию об ориентации корпуса по отношению к вектору силы тяжести; в передней части укреплен оптический дальномер, доставляющий информацию о поверхности, по которой перемещается шагающий робот. Шестиугольный корпус служит как носитель (основа) для шести конечностей, а также для рабочей платформы. Внутри корпуса размещается микропроцессорная система управления и силовая часть.

    Каждая  конечность имеет три степени  свободы, и приводится в действие с помощью двигателя с механизмом (передача, коробка передач, редуктор). В нижней части конечности находятся три датчика усилия для измерения реакции силы ноги.

    Основные  характеристики шагающего аппарата “Катарина”:

          · высота корпуса – 10 см; · длина стороны – 17 см;

          · общая масса – 21 кг; · размер конечности – 40,5 см;

          · масса конечности – 2.8 кг; · масса корпуса с микропроцессором – 3,8 кг;

          · скорость – около 0,4 км/ч; · полезная нагрузка – 5 кг;

          · длина бедра – 13,4 см; · длина голени – 20,2 см;

          · поверхность касания конечности – 28,3 см2.

    Система управления шагающим аппаратом  формирует и исполняет управляющие сигналы, обеспечивающие движение аппарата с автоматической адаптацией: к малым неровностям поверхности по командам оператора (или верхнего уровня), задающего основные характеристики ходьбы и движение корпуса аппарата. На входы системы поступают сигналы от следующих датчиков, установленных на макете: шести датчиков контакта стопы с поверхностью; датчиков усилий, развиваемых ногами; гировертикали; оптического дальномера. Ее выходы (выходы блока преобразователей координат) являются входами блока усилителей следящих систем (БУСС), состоящего из 18 отдельных усилителей, на входы которых поступают сигналы с 18 позиционных датчиков углов поворота звеньев ног.

    Система управления состоит из следующих крупных блоков: блока управляемых генераторов шаговых циклов, который содержит шесть идентичных генераторов, формирующих в плоскости некоторых вспомогательных декартовых координат замкнутые пространственно-временные кривые шагового цикла каждой ноги; блока линейного преобразования координат, который обеспечивает геометрическую привязку шаговых циклов к корпусу и конечностям аппарата  и  их   масштабирование; блока маневрирования, который по командам от верхнего уровня деформирует шаговые циклы ног так, чтобы обеспечить требуемое пространственное положение корпуса аппарата; блока преобразователей декартовых координат концов ног в угловые координаты звеньев ног, который состоит из шести идентичных нелинейных трехмерных следящих систем, обеспечивающих формирование сигналов на входы блока усилителей следящих систем, а также учет границ рабочих зон ног.

    Блочное построение системы управления с  относительно небольшим числом каналов связи блоков друг с другом обеспечивает удобство работы с системой, позволяет вести настройку и проверку качества работы отдельных блоков, а также легко контролировать функционирование в целом. 

    История создания «многоногих» роботов

    Однако  не менее интересно вернуться  к истории создания первых шагающих роботов. Существует несколько вариантов историй современных механизмов - обычная, которую мы изучаем по курсу физики, и неофициальная - история человеческих фантазий, которую можно проследить по множеству фантастических романов, кинофильмов, исторических материалов. И совсем не ясно, за какой из них - истина. Взять хотя бы рисунки Леонардо Да Винчи, по которым построили велосипед и вертолет, или произведения Жюля Верна, в которых присутствовало большое множество неизвестных его современникам устройств, ничего особенного на сегодняшний день не представляющих. И вы думаете, читая или смотря кинофильмы о роботах, киборгах, андроидах и прочих новомодных устройствах, их не увидят наши потомки? Отнюдь. Не так давно прошла новость о том, что в Японском Национальном институте современных промышленных наук и технологий (AIST) при сотрудничестве компании Kawada Industries был создан очередной робот человеческого типа. У него такой же рост (154 см) и вес (58 кг). Он может самостоятельно ходить, садиться, ложиться и вставать, и даже носить груз, правда, пока не слишком тяжелый - 6 кг. Но, как вы понимаете, это не предел. Поэтому весьма правдоподобным представляется появление в течение ближайших 10-20 лет первого человекоподобного существа с развитым искусственным интеллектом.

     Но первыми кончено были идеи. На рисунке из XVIII века изображена машина, передвигающаяся с помощью ног  и колес (авторство рисунка не установлено). Причем главным движущим механизмом являются именно ноги. Думается, это была традиционная для того времени идея, поскольку люди перемещались на телегах, каретах и т.п. И что первое придет в голову, если захочется модернизировать данный вид транспорта?

     Вторая, более знаменитая идея, принадлежит Джорджу Муру (The Steam Man - 1893 год) - это был андроид образца XIX века. Правда, реализоваться данный проект не смог, хотя и получил большую известность. 
 
 

    В 1983 году имела место еще одна очень  интересная идея - совмещение лошади и велосипеда - The Mechanical Horse (рис.3). Принадлежит она Л. А. Риггу. Вслед за механизацией телеги или кареты изобретатель предложил модернизацию лошади. Интересно, почему проект заморозили? 
 

    И действительно, во время первой мировой  войны данные футуристические идеи стали реализоваться. Первым стало появление уже сконструированного и собранного механизма Walking Machine, показанного на рисунке. Данная машина передвигалась только с помощью большого количества ног, работающих практически по принципу гусеничного механизма... 
 
 

     Другой вариант - это шагающий трактор, разработанный в это же время. Как мы можем видеть, сзади у  механизма находятся две шагающие ноги, приводящие механизм в движение, а спереди - колеса. Получается телега наоборот. Это была первая реализация сочетания механических ног и колес в одной.

     На какое-то время в истории  шагающих машин наступило затишье  вплоть до технологического прорыва 60-70-х. На рисунке вы можете увидеть изобретение 1966 года, реализованное МакГи и  Франком в университете Южной Калифорнии. К этому стоит добавить, что это первое изобретение подобного рода, предусматривающее компьютерное управление. Называется оно Phoney Poney.

     В 1968 году Р. Мошер завершил работу над  созданием настоящего четырехногого  монстра с ручным управлением под названием General Electric Walking Truck. Кстати, его изображение можно часто увидеть на многих научных и околонаучных сайтах. Что интересно, у Phoney Poney, так же, как и у General Electric Walking Truck, было по четыре ноги. 

     В 1973 году целая команда советских  ученых завершила работу над практической реализацией шестиногой машины (доктор наук, профессор В.С. Гурфункель, доктор наук А. Ю. Шнейдер, доктор Е.В. Гурфункель и коллеги). 

     1977 год был весьма урожайным  на всевозможные реализации шагающих роботов. Началось своего рода соревнование между США и СССР, что было нормально для того времени. С американской стороны выступал тот же МакГи со своей командой, с советской - профессор Гурфункель и коллеги. Причем русские "шестиноги" назывались очень просто - "Маша". Их мы можем увидеть на рисунках. 
 

     В ответ на "Машу" МакГи и  команда предложили свою версию шестиногого  робота, которая весила всего... 136 кг. 
 
 
 

    С 1976 года по 1979 в исследовательском  центре Komatsu Ltd. (Япония) разрабатывался супер-робот. Таким образом, можно отметить, что, начиная с этого периода, к гонке среди разработчиков присоединяются японцы. Устройство под названием ReCUS (Remotley Controlled Underwater Surveyor) имело восемь ног, 8 метров длины, 5,35 ширины и 6,4 метра высоты. Весить такая конструкция должна была порядка 29 тонн. Максимальная скорость - 0,07 м/с. До нас же дошли только чертежи.

    В 1979 году к московским разработкам  профессора Гурфункеля присоединился  Санкт-Петербург (тогда Ленинград). Там был также разработан и сконструирован "шестиног", но с гораздо более скромными параметрами: вес - 40 кг, длина - 60 см, ширина - 25 см, высота ног - 20 см. И, кстати, такое стремление к минимализму очень свойственно для многоногих устройств. Во-первых, они проще в реализации. Во-вторых, в большинстве своем такие устройства имели чисто научное значение.

    Но  вместе с тем в период 1980-1983 гг. американцы продолжили развитие тяжелых  роботов с большим количеством  ног. Изобретатели Сазерленд и Спрулл создали машину длиной в 2,4 метра, развивающую скорость 0,11 м/с.

     Далее свою веху в историю вписывают  японцы. Живая легенда - TITAN III и TITAN IV (TITAN - аббревиатура от Tokyo Institute of Technology, Aruku Norimono). Ноги TITAN III были оснащены специальными сенсорами, которые были связаны со специальной электронной системой управления, именуемой PEGASUS (Perspective Gait Supervisory System). Данная система позволяла адаптировать движение механизма относительно изменений поверхности. Этот этап можно смело назвать этапом внедрения интеллекта в шагающие машины. Длина ног у TITAN III была 1,2 м и весил он 40 кг. Глядя на рисунок, нельзя не вспомнить персонажа мультипликационного фильма "Тайна третьей планеты". Может быть, TITAN III был прототипом... 

    Назначение  шагающих роботов, роботы-андроиды

    А зачем собственно нужны шагающие роботы? В таких механизмах есть практическая необходимость. Вспомните  хотя бы забуксовавшие колесные машины - эту частую картину при бездорожье. Шагающие механизмы лучше преодолевают препятствия, и в этом их главное преимущество.

    Японские  разработки TITAN III и TITAN IV принадлежат Токийскому технологическому институту (Tokyo Institute of Technology) - одни из первых шагающих механизмов с искусственным интеллектом, позволяющим преодолевать несложные препятствия. Так, TITAN IV в 1985 году в Government Pavilion of the Science Exhibition at Tsukuba в полугодовой период опытов прошел около 40 километров по поверхности с тремя степенями сложности. Эта модель весила около 160 килограмм, а длина одной ноги (всего их было шесть) составляла около 1 м 20 см. Причем интересно, что такая махина развивала скорость 40 см/с. TITAN IV был прототипом для множества последующих разработок японских изобретателей. Перечислять нет смысла, так как их много.

    Начиная с этого момента, шагающие роботы стали разрабатываться и для практических целей, например, для исследования морских глубин. Акваробот (Aquarobot) разрабатывался в лаборатории роботов в Port Harbour Research Institute Министерства транспорта Японии на протяжении четырех лет (1985-1989).

    Расстановка сил среди стран, конструирующих шагающие механизмы, несколько изменилась. В основном, это связано с тем, что ушли русские (у нас тогда, если вы помните, началась перестройка, а потом развал СССР), но при этом достаточно интересные разработки стали появляться и в Англии, в 90-х присоединилась Канада. А лидерами стали, конечно же, японцы и американцы.

    Кстати, сейчас такие роботы-многоножки активно  используются для различных прикладных целей.

    Если  не говорить о шагающих роботах, а только об их конечностях, то мы можем найти еще одно применение данным разработкам, а именно - в медицине. Еще в 1948 году русский профессор Н. А. Бернштейн нарисовал человека с протезами, повторяющими скелет ноги, но с электрическими двигателями, что являлось разработкой НИИ Протезии. Стоит отметить, что сразу после войны это было очень насущным изобретением, к сожалению, не имевшим практического продолжения в будущем. В 60-е годы General Electric развила данную идею, но в варианте полноценного скелета с гидравлическим управлением. Точно такая же попытка была и с русской стороны в России (Ленинград, 1970 год).

    Основной  задачей ученых являлось все-таки создание человекоподобного робота. И нужно сказать, что  - это только одна из ветвей развития шагающих механизмов. Ведь, согласитесь, роботы с большим количеством ног больше похожи на насекомых как внешне, так и по способу передвижения. А вот создание двуногих машин - это ближе к рассказам фантастов, которыми зачитывались в детстве наши ученые и изобретатели.