Роботы в движении

Сергей Колюбин, к. т. н., генеральный директор ООО «Икстурион», руководитель студенческого КБ по робототехнике НИУ ИТМО

Суперскоростной сортировщик ABB FlexPicker

Тема эта чрезвычайно обширная, поэтому для начала ограничимся краткой классификацией и обзором наиболее интересных разработок в этой области. Кстати сказать, я с удивлением обнаружил, что хороший русскоязычный материал в популярном изложении на эту тему найти не так уж и просто, так что постараемся восполнить пробел.

Движение роботов можно рассматривать в двух аспектах: способ передвижения, или кинематическая схема, и непосредственно актюаторы, или силовая часть локомоционной системы. Про последнее отметим только, что в роботах сейчас используют различные типы электроприводов, пневматические мышцы, гидравлические приводы и пьезоактюаторы, причем привод может как устанавливаться непосредственно в сочленении, так и передавать движение посредством так называемых сухожилий, что распространено в дизайне ног, рук и кистей антропоморфных роботов. На теме кинематики остановимся поподробнее.

С манипуляционными роботами ситуация достаточно проста. Их рассматривают как кинематические цепи, то есть соединение вращательных или призматических (линейно перемещающихся) звеньев. Соединение может быть последовательным (разомкнутая цепь) или параллельным (замкнутая), как, например, в суперскоростном сортировщике ABB FlexPicker [1]. Однако есть и более нетрадиционные примеры манипуляторов наподобие бионических трипода на основе технологии FinRay [2] или гибкого пневматического сортировщика [3] компании FESTO. Такие системы называют гиперизбыточными, так как степеней свободы в них сотни, благодаря чему они могут принимать практически любую форму и с легкостью огибать препятствия, что полезно при работе в стесненных условиях. Кроме того, подобные конструкции легкие, а потому безопасны для работы в непосредственной близости от людей, только вот по показателям грузоподъемности и точности позиционирования уступают «традиционным» собратьям.

Роботы на шаре: а) Rezero компании EPFL; б) BallIP университета Tohoku Gakuin

Разнообразие способов передвижения мобильных роботов значительно шире. Они способны перемещаться по самым сложным ландшафтам городских джунглей, пересеченной местности или поверхности других планет, взмывать в воздух или покорять океанские течения. И средства для этого меняются от традиционных колес или пропеллеров, как в мультикоптерах или автономных батискафах, до весьма нетривиальных.

Наиболее простыми и широко распространенными являются роботы на колесных или гусеничных платформах. В действительности, нет более эффективной схемы перемещения по плоским твердым поверхностям, чем колесо. Тем не менее даже здесь вариации на классическую тему впечатляют. Начиная с омнидирекционных колес, используемых в FESTO Robotino [4] или линейке разработок другой немецкой компании KUKA — маленьком youBot [5], среднеразмерной omniRob [6] или настоящей промышленной omniMove [7], и заканчивая колесными балансирами типа сигвея или роботов на шаре, как Rezero от EPFL [8] или BallIP японского университета Tohoku Gakuin [9], а также сферических роботов, где все оборудование спрятано внутри, а движение создается вращением сферического корпуса, как это сделано в шведском патрульном всепогодном роботе Rotundus [10] или популярном роботе-игрушке Sphero [11]. Преимущество таких модификаций — возможность начать движение с места в любом направлении, а недостатки кроются соответственно в дороговизне, неустойчивости и сложности управления.

Шагающие роботы: а) антропоморфные Atlas; б) робот-мул BigDog

К другому широкому типу относятся роботы шагающие, причем количество конечностей здесь может меняться от двух до восьми и более. Признанным лидером разработок в этой области является американская Boston Dynamics, не так давно приобретенная ИТ-гигантом Google. В портфеле компании уникальные проекты антропоморфных Atlas [12] и PETMAN [13], а также четырехногих роботов-мулов BigDog [14] и LS3 [15] и самого быстрого в мире шагающего робота Cheetah [16], развивающего скорость более 45 км/ч. Количество ног может вырастать и до шести, как у корейского огромного шагающего батискафа Crabster [17], или даже восьми, как у паука-шпиона Robugtix T8 [18]. Робот-шимпанзе Charlie, о котором я рассказывал в предыдущем номере, вообще в зависимости от задачи может то ходить на двух «лапах», то подключать верхние конечности.

Шагающий батискаф Crabster

Преимущества ходьбы проявляются при движении по сложной местности, в частности по каменистой поверхности, или при необходимости подниматься и спускаться по ступеням. Проблемы связаны с тем, что ходьба требует значительных энергетических затрат, а шагающие роботы менее устойчивы и медленнее колесных или гусеничных. По этим соображениям разрабатываются роботы с гибридными локомоционными системами, комбинирующими ходьбу с ездой в зависимости от ситуации. К таким относятся, например, робот Halluc японского Технологического центра перспективной робототехники fuRo [19], тайваньский Quattroped [20], разработка KodLab Университета Пенсильвании X-RHex [21] или Morphex известного робототехника-любителя с псевдонимом Zenta [22]. Ахиллесовой пятой таких решений является сложная механика, где всегда есть чему сломаться.

X-RHex — робот с гибридной локомоционной системой

В действительности, в робототехнике сейчас активно развиваются биомиметические подходы. Биомиметика — это имитация биологических систем полностью или их отдельных элементов при решении инженерных задач [23]. Способ это не новый, если вспомнить принципы работы самолетов, вертолетов, подводных лодок или даже простой застежки-липучки, но в современной робототехнике это мощная волна. Мотивация понятна: брать на вооружение механизмы, отточенные и доказавшие эффективность за миллионы лет эволюции.

Яркими примерами таких разработок являются роботы компании FESTO, создаваемые в рамках глобальной инициативы Bionic Learning Network [24], запущенной в 2006 г. За годы исследований компания продемонстрировала робототехнических рыб, медуз, скатов и пингвинов, способных двигаться как воде, так и в воздухе, а также стрекозу BionicOpter и чайку SmartBird, а в апреле этого года представила копию своего первого млекопитающего со сложной кинематикой — BionicKangaroo, который способен, как и настоящий кенгуру, запасать и правильно расходовать энергию во время прыжков [25]. Творения FESTO неизменно привлекают внимание потому, что не только заимствуют определенные принципы движения, но практически полностью внешне копируют свои прообразы.

Ползающий робот Salamandra robotica II

Биомиметические подходы развиваются и в научных лабораториях ведущих университетов мира. Лаборатория биомиметической робототехники MIT известна своими роботом-гепардом [26], а также совместной разработкой с Лабораторией биомиметики и развитой манипуляции Стэнфорда — роботом-гекконом Stickybot, который благодаря специальным полимерным липучкам на подошвах лап способен карабкаться практически по любой вертикальной поверхности, включая стекло [27]. А пару месяцев назад лаборатория MIT анонсировала робота-рыбу с «мягким» эластичным хвостом, дающим ему повышенную маневренность в воде и делающим практически бесшумным [28]. В Университете Беркли сосредоточены на более простых организмах. В частности, там создают миниатюрных роботов, вдохновляясь акробатическими способностями насекомых [29]. В Гарварде разработали самого маленького летающего робота RoboBee весом 80 мг и с размахом крыльев в 3 см [30]. В швейцарском EPFL помимо прыгающей робототехнической саранчи [31] разработали инспекционного робота-саламандру Salamandra robotica II, которого отличает способность комбинировать перемещение по суше и в воде [32]. Те же цели преследуют и создатели робототехнических змей, которые, кстати, демонстрируют оригинальный принцип передвижения — ползание, или метахрональное движение. Такие роботы практически незаменимы при обследовании завалов или узких трубопроводов. Среди наиболее известных проектов — модульные конструкции Университета Карнеги-Меллон [33], разработки научной группы Норвежского университета науки и технологии, исследовательского института SINTEF [34], а также японской компании HiBot [35].

Модульные конструкции — робототехнические змеи

Можно сказать, что если видовое разнообразие роботов пока и уступает живой природе, то этот гандикап стремительно сокращается. Уже существуют системы, воспроизводящие даже весьма экзотические способы перемещения, например брахиацию — способность перемещаться, раскачиваясь на руках [36]. Это направление получило развитие, в частности, в роботе-горилле Университета Цукубы [37], а также в роботе Gibbot Лаборатории неврологии и робототехники Северо-Западного политехнического университета в США [38].

Пока статья готовилась к печати, появились еще два нетривиальных робота: один перенимает движения марокканского паука табача, а второй заявлен как самый быстрый «бегающий» робот — OutRunner стартапа Robotics Unlimited.

Как видите, развитие локомоционных способностей роботов не остановилось на изобретении колеса, а пошло гораздо дальше. К чему же вся эта экзотика? Во-первых, человеческую мысль и желание творить что-то новое, соревнуясь с самой природой, остановить невозможно. А во-вторых, по чисто прагматическим соображениям выбор оптимального способа передвижения зависит от конкретных условий, в которых роботу предстоит работать, и зачастую такое решение оказывается совсем неочевидным.