03.05.2020
Когда появились первые технические роботы? Давно, на рубеже XVIII и XIX столетий, в эпоху промышленного переворота в Европе. Ими стали автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенный в 1765 году И.Ползуновым, и центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 году получил патент Дж.Уатт. Современные системы управления технологическими процессами характеризуются большим числом и разнообразием технологических параметров, систем и объектов регулирования.
Целесообразное движение в среде с препятствиями достаточно успешно выполняется живыми существами с помощью конечностей. По аналогии со способом передвижения животных изобретатели создают разнообразные механические устройства, применяющиеся в качестве движителя искусственные ноги. Основное преимущество шестиногих шагающих машин состоит в том, что они сравнительно просто могут обеспечить статическую устойчивость на всех стадиях при движении по горизонтальной или почти горизонтальной поверхности. Но современный робот нужен для передвижения не только по ровной поверхности. От него требуется двигаться по пересеченной местности, выполнять определенные действия в непригодных для устойчивого положения условиях, прыгать и бегать.
Сегодня методы компьютерного моделирования позволяют до того, как робот еще построен, определить, будет или не будет успешной машина, чтобы не заржавела без дела. О том, как помочь роботу «сохранять устойчивость», «Поиску» рассказал заведующий отделом Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН, заслуженный профессор МГУ им. М.В.Ломоносова Юрий ГОЛУБЕВ. Он руководит исследованиями по проекту «Методы формирования движения мобильных роботов в условиях бездорожья», поддержанному грантом Российского фонда фундаментальных исследований.
Грант №19-01-00123 — шестой, полученный нами на эти работы от РФФИ, — пояснил Юрий Филиппович.
И, надеюсь, не последний. Исследования ведутся по разным направлениям. Одно из них — научить машину правильно двигаться. Не просто шагать, как детская игрушка, но и карабкаться, например. На ровной горизонтальной поверхности шагающий механизм не нужен — колеса лучше. Но колесный робот «тормозит», когда надо куда-то подняться, например, по лестнице, или залезть на столб, крышу дома. Специализированные устройства для каждой отдельной задачи всегда можно придумать, но надо, чтобы один и тот же робот мог их все легко решить.
При разработке методов управления роботом необходимо анализировать проблемы обеспечения устойчивости и рационального распределения реакций опоры, чтобы нагрузка на все ноги была приблизительно одинаковой. В наиболее трудных ситуациях при движении возникает потребность преодоления веса робота посредством только сил трения. Способность робота идти по сложной местности можно выработать, последовательно обучая его одолевать как изолированные препятствия, так и их комбинации. Такой подход широко применяется для тренировок альпинистов, пожарных, спасателей, используется он и в прикладных видах спорта. Обучающие наборы стандартных препятствий могут содержать различное число образцов в зависимости от структуры местности, по которой робот должен передвигаться.
К примеру, нужно забраться на столб, чтобы поправить уличное освещение. Робот должен сжать ногами столб, тем самым создав достаточную силу трения. Наличие шести конечностей облегчает сжатие столба без потери равновесия, поскольку робот может использовать симметричную следовую очередность движения.
Или представьте себе задачу для механизма залезть на высокий уступ. Его высота столь велика, что как изолированное препятствие он оказывается для робота непреодолимым. А если использовать рядом стоящий вертикальный столб? Вскарабкавшись на него, робот сможет справиться с преодолением указанной комбинации препятствий.
Для повышения проходимости робота полезно рассмотреть возможность обеспечения динамической устойчивости на опорных объектах, находящихся в состоянии безразличного равновесия, таких, как цилиндр или шар (бревно или валун), лежащих на твердой горизонтальной поверхности. Взобравшись на шар, что само по себе очень непросто, робот должен удерживаться на нем в правильной позиции, обеспечивая ускорение или замедление движения шара специфическими манипуляциями корпуса, с целью перемещения системы «робот — шар» в требуемое место на плоскости и т. д.
Это же сложнейшие вычисления!
Исследование свойств алгоритмов управления движущимися объектами средствами компьютерного моделирования предполагает наличие как по возможности полной математической модели самого движущегося объекта, так и среды, в которой происходят изучаемые перемещения, да еще нередко объекту приходится взаимодействовать с элементами этой среды.
Автономный мобильный робот может активно использовать местные предметы как средство для выполнения поставленных перед ним задач. То есть создавать и применять для этого математические модели силового взаимодействия робота с элементами среды, а также и взаимодействия элементов среды между собой, если они могут их самостоятельно совершать.
А если робот упал?
Возникает очень сложная ситуация. Допустим, в результате непредвиденных обстоятельств шагающий робот оказывается лежащим на спине в положении вверх ногами. Он должен без посторонней помощи, за счет имеющихся у него ресурсов по управлению перевернуться в исходное рабочее состояние, когда ноги находятся в опоре, а корпус — наверху. Подобные «приключения» нередки среди насекомых и рептилий, у которых имеется широкий твердый корпус (жуки или черепахи), и все они в процессе эволюции научились преодолевать такие затруднения. Методы, которые они используют, включают в себя приемы подтягивания и отжимания от опоры. Возможно, для этого у них и ноги разной длины.
Они ведь не знают теоретической механики.
Вот робот упал и лежит беспомощный, потому как приспособлений на всякий несчастный случай не приделаешь, да и расточительно это. Но мы учим робота самостоятельно выкручиваться из самых разных сложных ситуаций. Например, разработали оригинальный метод переворота робота из аварийного положения в рабочее состояние с учетом инерционных свойств его корпуса. С этой целью можно воспользоваться резонансными эффектами, которые возникают при определенной форме корпуса за счет специальных движений конечностей.
Что это за эффекты?
Они появляются, когда робот, будучи «на спине», без опоры о грунт конечностями, начинает специальным образом двигать ими и раскачивать корпус. Амплитуда качаний корпуса, постепенно нарастая, достигает такого значения, когда корпус неизбежно переворачивается. Нами показано, что автономное спасение шестиногой конструкции из аварийного положения вверх конечностями возможно при помощи циклического движения ног, если корпус имеет верхнюю оболочку в виде усеченного цилиндра.
Аналогичный прием часто используется любителями качаться на качелях. С помощью программного комплекса «Универсальный механизм» осуществлено компьютерное моделирование полной динамики робота, подтвердившее эффективность разработанной методики для восстановления функциональной состоятельности робота. Результаты численных экспериментов и полученные соответствующие видеоматериалы показали надежную практическую реализуемость разработанного метода.
Какие еще работы помог выполнить РФФИ?
По данному гранту проведены аналитические исследования о целесообразном распределении нагрузки при опоре шагающей машины о шероховатые цилиндры, имитирующие навал бревен на плоскости с учетом сухого трения и трения качения и с возможностью проскальзывания бревен относительно опорной плоскости и относительно друг друга.
Также выявлена аналогия между динамикой многоногого робота при управлении положением корпуса и динамикой параллельных манипуляторов, которые являются основой кинематики для существующих и перспективных периферийных стыковочных механизмов космических аппаратов.
От бревен — в космос…
И не только. Освоение планет Солнечной системы с помощью роботов — весьма актуальная задача. Там нет дорог, и роботу нужно ходить и лазать. К тому же для космической отрасли важно просчитать задачи соединения различных космических аппаратов. Есть, например, понятие «стыковка», а есть «причаливание». На МКС функционирует шагающий манипулятор, разработанный канадскими специалистами, который под управлением космонавта может взять КА и нежно причалить его к космической станции.
Тогда как при стыковке КА сам стыкуется, он фактически втыкается в станцию — в космосе ведь нет прямых траекторий.
Для робототехники вообще полезно изучение контактных взаимодействий тел. Процесс стыковки КА сопровождается короткопериодическими упругими колебаниями механизмов, что существенно затрудняет его компьютерное моделирование. Стыковочный механизм движется под действием сил и моментов, создаваемых устройствами и приводами, а также контактного взаимодействия со стыковочным кольцом агрегата, который установлен на пассивном космическом аппарате. Относительное положение и скорости активного аппарата в момент первого контакта являются случайными величинами, зависящими от хода его сближения.
В каких еще областях проводятся исследования?
Есть замечательная задача с роями. Рыбы, птицы, термиты, муравьи, пчелы соединяются в стаи, которые ведут себя как единый организм со своими задачами и способами их решения. Возникает роевой интеллект. Толпа людей — по сути, тоже стая, войска — также. Их поведение можно описать математически и использовать на практике. Мы предприняли попытку применить эти подходы к дорожному движению, моделированию транспортных потоков, потому что автомобили, едущие по дорогам, — тоже своего рода стаи.
Зачем это надо?
Чтобы предвидеть, в каких местах трасс могут возникнуть пробки. Мы можем предсказывать, где на МКАД при определенных условиях они появятся. При строительстве новых автомобильных развязок можно применить наши методы, чтобы избавиться от почти неизбежных неприятностей. Говоря научно, нами разработана система микромоделирования транспортных потоков города и шоссе с возможностью исследования различных параметров дорог и машинопотоков. «Поведение» каждого автомобиля-агента задается и описывается одним и тем же набором локальных правил, а все эти правила зависят от индивидуального набора параметров для каждого транспортного средства. Таким образом, моделируются различное поведение («характер») автомобилей и различный стиль их вождения — от чрезвычайно аккуратного до агрессивного. В системе также учитываются общие положения, основанные на правилах дорожного движения.
Сколько средств на исследования выделено по гранту 2019 года?
В 2019 году — 1 миллион рублей. Если посчитать, то это всего 10 000 рублей на нос в месяц. Но ведь надо же еще и оборудование купить.
А как дела с оснащением?
У нас есть лаборатория, в которой мы «в железе» делаем образцы роботов. Сейчас в работе несколько экзоскелетов и макет четырехногого робота, который должен управляться нейронной сетью. Некоторые новые приборы и комплектующие мы покупаем, некоторые — чиним, латаем. Старые роботы, отработавшие свое, находятся в разобранном состоянии. То есть посмотрели, как роботы работают, и начинаем их разбирать, чтобы приступить к следующей задаче. Просто так, на память, хранить роботов негде.
Какие партнеры привлечены к исследованиям?
У нас нет средств, чтобы заключать исследовательские договоры с организациями. Но с отдельными сотрудниками других организаций мы взаимодействуем. Это в первую очередь кафедра теоретической механики и мехатроники МГУ им. М.В.Ломоносова, где я работаю по совместительству, Институт машиноведения им. А.А.Благонравова РАН, Волгоградский государственный технический университет, РКК «Энергия» и др.
У вас в команде десять человек. Все — молодежь?
Состав, как мне кажется, сбалансирован неплохо. Старший по возрасту — это я. Далее — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, профессор Владимир Евгеньевич Павловский. Он у нас корифей в области практической робототехники и мехатроники. Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Виктор Владимирович Корянов — непревзойденный специалист по системному программированию. Доктор физико-математических наук, профессор Дмитрий Юрьевич Погорелов — знаток теоретической и прикладной механики, создатель знаменитого программного комплекса «Универсальный механизм». Кандидат физико-математических наук, доцент Елена Вадимовна Мелкумова исследует возможность движения шагающего аппарата по неровностям. Игорь Александрович Орлов и Антон Павлович Алисейчик — молодые кандидаты наук, разработчики лабораторных макетов проектируемых робототехнических систем. Алексей Валерьевич Подопросветов, аспирант, занимается нейронными сетями. Евгений Владимирович Павловский — специалист по стайному поведению роботов.
Эпидемия коронавируса влияет на исследования?
Мы сейчас работаем удаленно, на компьютерах считаем. В принципе, на теоретические исследования это мало влияет. Лабораторные дела остановились. Стараемся по возможности все оргвопросы решать по Интернету.
А бумаг много?
Пока решили на электронную систему перейти. Месяц будем сидеть безо всякой бухгалтерии. А отчетность с РФФИ вся на безбумажной основе делается. Сложнее с публикациями: написать мы можем, а дальше что? Да еще они должны быть в престижных журналах. В нашем министерстве зарубежные журналы чрезмерно уважают. Мы тем самым свои журналы губим, а западные поддерживаем. С какого перепугу?!
Какие перспективы?
Работать! В перспективе — создавать роботов-помощников, которые были бы полезны не только на Земле, но и в космосе. Которые сумеют, допустим, сами построить на Луне станцию, — вот что надо делать. Нужно, чтобы они работали там, где людям либо скучно трудиться, либо невозможно, потому что опасно. И совсем необязательно, чтобы они были похожи на людей, главное — чтобы выполняли нужные функции. Такая у меня точка зрения.
Андрей Субботин
Нет комментариев