Поиск - новости науки и техники

Походкой легкою. Машину нового поколения обучают ходьбе.

Увидеть в действии эту не­обыкновенную машину можно только в Волгограде, где она и “прописана”. У ученых московского Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН есть фотография шагающего робота, что никак не умаляет их роли в его создании.
– Когда-то о подобных аппаратах писали фантасты, – рассказывает ведущий научный сотрудник института, доктор физико-математических наук, профессор МГУ Владимир Павловский, – сегодня их разрабатывают ученые ведущих стран мира, потому что уверены – за ними будущее. Шагающие машины без труда преодолевают “пересеченку”: поднимаясь на горки и спускаясь с них, пробираются среди валунов и завалов… Благодаря шарнирам их механические ноги, а если понадобится, и руки, обладают большим числом степеней свободы, как говорят специалисты. Ног, высотой почти в полметра, у нашей машины восемь, а могло быть больше. Но и их достаточно, чтобы она брала самые трудные препятствия, не переваливалась с ноги на ногу, не раскачивалась из стороны в сторону, а шла плавно, легкой “походкой”. И при этом дело делала. В зависимости от того, какими манипуляторами ее оснастят. Например, небольшой кран послужит для укладки и ремонта трубопроводов. Мощные “ручищи” облегчат жизнь строителям и лесорубам, спасателям при разборке завалов. Вес робота – 1 тонна, почти столько же, сколько ее грузоподъемность. Так что возможностей множество.
– Но у гусеничных машин их все же больше, да они и надежнее?
– Верно, и гусеница, и колесо куда экономичнее. Преимущество “умной” техники в другом. В одном документальном фильме мне запомнились такие кадры: большое кукурузное поле, по нему едет грузовик, и за ним, чуть ли не до горизонта, тянутся две четкие черные колеи. Если же в поле, все равно какое, “запустить” наш шагающий робот – никаких следов не останется, вот увидите! Этим, по-моему, все сказано. Экологически безо­пасная машина незаменима в местах, где нет дорог, там ей цены нет. В первую очередь на “северах”, где под гусеницами вездеходов гибнет хрупкая растительность тундры. Как утверждают экологи, след от тяжелого грузовика в тундре отпечатывается чуть ли не на 100 лет. И если мы хотим сохранить, оставить после себя в полной красе северную природу, нужны именно такие аппараты. Какую бы подошву ни приделать к их стальным ногам, они лишь местами будут опираться на грунт. Это не гусеницы, перепахивающие все и вся на своем пути. Робот ступает аккуратно, не повреждая почву. Его даже можно “научить” ходить и по болотам.
– А как возникла идея создания такой машины, кто финансировал работы?
– Минобрнауки. У него есть программа “Разработка нетрадиционных средств передвижения”. Возможно, с дальним прицелом сделать новый луноход. Поэтому подобные машины оборудованы не гидравлическими системами (на Луне они бы просто замерзли), а электрическими. Это поисковая разработка – концепт-машина. Два с половиной года назад министерство передало волгоградским ученым этот заказ. Авторами новинки стали заведующий кафедрой теоретической механики профессор Волгоградского государственного технического университета Е.Брискин, генеральный директор ЦКБ “Титан” В.Шурыгин и его заместитель В.Серов.
Все, что касается “железа”, проблем механики и прочего – они решили. Потребовалась электронная и программная “начинка”, благодаря которой машина работает. Лет 30-40 назад американские специалисты из “Дженерал-электрик” построили большой, тяжелый четырехногий агрегат, его прозвали “шагающий грузовик”. Все бы ничего, да вот беда – водитель выдерживал всего минут десять: такой сложной была система управления, требующая огромного напряжения внимания и сил. И ученые сделали для себя однозначный вывод, что руководство роботом необходимо переложить на компьютер – он и будет выполнять все команды. А человек чувствовал бы себя так же комфортно, как в автомобиле: руль да педаль газа – все. Тогда вести машину сможет не ученый, не инженер, а практически любой человек, прошедший необходимую подготовку. В общем, Левше здесь делать нечего.
– И какую же задачу пришлось решать вашим сотрудникам?
– Несколько лет назад появился новый термин: “синтез (построение) движения”. В многофункциональной многостепенной системе (а шагающие машины именно такие) его нужно выстроить, согласовать, чтобы управлять ходовыми элементами машины не по отдельности, а вместе. Проведем простой эксперимент со степенями свободы. Напишите рукой в воздухе заглавную букву своего имени или фамилии – крупно, размашисто. Правда, легко? И продолжайте это делать. А теперь одновременно ногой опишите круг. Не получается?
– Нет, конечно! Без тренировки мне этого не сделать.
– Верно, то же самое и в технике: “тренировки” должны помочь выработать синергию движения. Шагающий робот вовсе не задумывается, как он идет, как переступает. Можно сказать, он выработал свою походку. С виду задача наша была не слишком сложной: научить машину ходить, управляя движением не каждой ноги в отдельности, а согласованно всеми. Чтобы они действовали как бы в унисон. Но когда в системе много степеней свободы, это превращается в большую проблему.
– Да, вы говорили: чтобы машина шла ровно, не наклоняясь и не приседая.
– Для этого необходимо решить задачи по геометрии и кинематике. Но главное – выработать алгоритм движения, создать программное обеспечение, причем уникальное, не побоюсь громких слов. На каждой ноге, точнее – шагающем модуле, устанавливают как минимум пять сенсоров (всего их 20), соединяют между собой, а сигналы выводят в компьютер. Он их анализирует, моментально обрабатывает и задает ритм движению шагающего робота – как бы проектирует его походку. Пока у нас есть лишь “ноги”, но скоро к ним добавятся еще и “руки”, а значит, появятся новые сенсоры и сигналы. Алгоритм управления шагающей машины еще более усложнится. Нам нужно будет вывести закон преобразования десятков сигналов сенсоров в систему управления движением, то есть в режиме реального времени предстоит обрабатывать от 20 до 50 сигналов несколько раз в секунду. Тогда робот будет двигаться со скоростью в 3-5 км/час, не задумываясь, какую ногу куда поставить.
Плавность хода без видимых усилий – вот, повторюсь, к чему мы стремимся. А еще устройство должно быть “зрячим”, то есть двигаться не на ощупь, а видеть, куда идет, и заранее принимать решения. Для этого на него установят две видеокамеры и лазерный дальномер. Он “ощупает”, отмерит расстояние до препятствий, возникших по ходу движения. Естественно, эти сигналы также надо будет моментально обрабатывать. Другими словами, это уже не просто сложная машина, передвигающаяся в соответствии с сигналами сенсоров, а в полной мере робот, “потребляющий” все более сложные алгоритмы. И самые трудные из них – для обработки движения ног и рук, оптических измерений. Это основа, сердцевина всех робототехнических устройств. Остальное проще, понятнее благодаря достижениям микромеханики и микроэлектроники, а они сегодня много чего могут. По сути, речь идет о создании искусственного интеллекта, точнее его зачатков. Но и они позволят водителю сказать машине: “Давай-ка сейчас двинемся вправо по этому вектору метров на 500”. И робот “возьмет под козырек” и примется выполнять команду.
– Просто не верится, что с такими задачами можно справиться…
– Сложность в том, что на сегодняшний день не существует общих методов, методик разработки таких алгоритмов. Мы понимаем, к чему необходимо стремиться, какую задачу решить, но как к ней подобраться, с чего начать, в какой последовательности двигаться к цели? Есть даже целое направление в современной математике – создание само­обучающихся алгоритмов, которые настраиваются на решение поставленной задачи. Фактически это и есть искусственный интеллект. Но, увы, перефразируя знаменитое выражение Декарта, все задачи отнюдь не решены.
Насколько это сложно, говорит и такой факт. Сегодня в мире лишь несколько ведущих лабораторий – в Японии, США (НАСА) и отчасти в Германии – занимаются разработкой таких сложных систем управления. Все. И здесь мы им не уступаем – они признают это сами (сужу по докладам и встречам на конференциях). Но что интересно: приблизительно в 80-х годах прошлого века наши ученые опережали иностранных коллег. Это заслуга, прежде всего, моего учителя, известного механика академика Дмитрия Евгеньевича Охоцимского. Достаточно сказать, что первая версия шестиногого робота появилась примерно в 1975 году. А сделали мы его, чтобы отработать методики создания сложнейших алгоритмов. Во время кризиса многое порушилось, но кое-что удалось сохранить и двинуться дальше.
– Дальше – это разработка искусственного интеллекта для управления машинами?
– Да, нечто похожее. Своим студентам я говорю: сейчас рождается техника нового поколения. Разумная. Она станет не только помощником, но и советчиком человека (бунт роботов оставим на совести писателей-фантастов). Будет учитывать состояние внешней среды, обстоятельства, сопровождающие и осложняющие ее работу, и самое главное – предлагать оптимальное решение. Окончательно слово, конечно, за человеком, но почему ему не послушать дельного совета? Такого же мнения придерживаются и наши западные коллеги. ХХ век подарил нам несколько гигантских достижений, изменивших лицо нашей цивилизации: в начале родились автомобиль и самолет, в середине созданы атомная бомба, затем ракеты и спутники, а в конце появился Интернет. Сегодня, по мнению многих, таким революционным, прорывным направлением становится робототехника. Она даст мощный толчок к прогрессу микроэлектроники и микромеханики, других отраслей промышленности, созданию алгоритмов, появлению новых чипов… Звучит, конечно, громко, но это так. А что касается создаваемой нами вместе с волгоградцами машины, то есть надежда, что в течение года она появится в столице на одной из робототехнических выставок.

Юрий ДРИЗЕ
Фото Андрея Моисеева
и из архива Института прикладной
математики им. М.В.Келдыша РАН

Нет комментариев