«…Вдруг к ней бросилось странное существо — это был пушистый красный шар, который бегал на палочках, как будто на паучьих ножках. Вдогонку за шариком быстро ползла двухголовая змея.
Красный шар подбежал к Алисе, прижался к ее ногам и стал ярко-желтым.
— Что это такое? — спросил Селезнев у змеи.
— Это индикатор, — ответила змея. — У нас их на планете пруд пруди…»
Полвека назад, когда была написана повесть Кира Булычева «Путешествие Алисы», странное существо на ножках, которое следовало за хозяином и обменивалось с ним эмоциями, считалось фантастикой. А теперь это реальность. Роботизированные четвероногие компаньоны скоро начнут сходить с конвейеров технологичных производств в разных частях планеты. Создать такую конструкцию оказалось невероятно сложно: на разработку первых прототипов ушли десятки лет. Правда, реальные робопитомцы выглядят не как ходячие шарики, а скорее как параллелепипеды на ножках из мультфильма «Тайна третьей планеты»; наиболее продвинутые из них по форме напоминают собак. Но смысл в них заложен примерно тот же, что и в научной фантастике: ходить за человеком, прыгать, подавать лапу, выполнять простейшие команды — в общем, развлекать. Шагающие роботы уже есть в США, Японии и Китае и вот теперь появились в России. Отечественный робопес, в отличие от заграничных коллег, задуман не только для забавы, но и для обучения студентов сложнейшей инженерии, электронике, программированию. Это единственная платформа такого рода с открытой архитектурой, на которой можно отрабатывать различные алгоритмы управления.
О том, как создавался первый в России шагающий робот, а также о полезных перспективах этого направления робототехники «Эксперт» расспросил руководителя проекта «Братья Вольт» (проект в области развития инженерного образования), ведущего инженера НИИ механики МГУ им. М. В. Ломоносова Антона Рогачева.
— Мода на шагающих роботов пришла в 1990-е годы — тогда была основана американская компания Boston Dynamics, которая начала активно работать в этом направлении и первой создала демонстрационную модель. С тех пор появилось несколько стартапов, удививших мир своими робособаками. Но, насколько известно, до сих пор нет ни одного успешного коммерческого продукта. Зачем же это нужно?
— На самом деле мода возникла еще раньше, в 1970–1980-е годы, — именно тогда и НИИ механики, и зарубежные институты начали конструировать шагающих роботов. Это была захватывающая история по мотивам фантастических фильмов, в которых антропоморфные роботы сосуществовали с людьми. Тогда многие ученые были вдохновлены идеей создать из железа существо, которое как минимум повторяло бы движения человека. Но выяснилось, что это невероятно сложная задача и с точки зрения инженерии, и с точки зрения электроники. За несколько прошедших десятилетий в мире появилось всего несколько моделей, как правило четвероногих, повторяющих движения собак. Пока все они такого уровня, что закрепились только в одной нише — развлечений. Устройства демонстрируют туристам и участникам деловых мероприятий, связанных с технологиями, с ними снимают ролики в соцсетях. Какого-либо сервисного коммерческого успеха шагающие роботы действительно до сих пор не получили.
— А какова была цель вашего проекта?
— Нашей целью было попробовать выйти на тот уровень технологий, который сейчас считается передовым. Речь идет о создании шагающих роботов на бесколлекторных приводах с высоким моментом и низким коэффициентом редукции. Такие двигатели имеют более высокую точность управления, а низкий коэффициент редукции делает процесс шагания обратимым, благодаря чему робот может адаптироваться к поверхности, по которой перемещается, и к другим внешним воздействиям. Кроме того, роботы данного типа имеют более быструю реакцию за счет отличных динамических характеристик двигателей.
— По какой передовой технологии вы создавали свою модель?
— Сам принцип был разработан в MIT. Согласно ему, робот на 12 бесколлекторных моторах может развивать высокую скорость, ходить по лестнице, выполнять сальто и делать много интересного. Наш робопес пока умеет ходить, принимать разные позы и давать лапу. Но у нас и цель была другая: мы создавали устройство для образования и науки. По сути, это платформа с открытой архитектурой, на которой ученые могут применять собственные алгоритмы и таким образом развивать свои компетенции в шагающей робототехнике. Это уникальный проект, позволяющий ученым получить доступ к «мозгу» железной собаки.
— Что представляет собой тот программный стек, который вы изначально заложили в робота? Насколько он сложный?
— В нем есть математика, аналитические решения, применяется искусственный интеллект. Это достаточно сложные алгоритмы. Базой является алгоритм, отслеживающий положение динамического центра тяжести (ZMP) робопса и стремящийся перемещать его вдоль опорного отрезка, чтобы конструкция не опрокинулась. Само положение ZMP рассчитывается на основе метода прямой кинематики и модели линейного обратного маятника. Причем для того, чтобы движения были более плавными, мы на каждом временном этапе стремимся предсказать два будущих шага робота. Компьютер определяет нужное положение корпуса, затем оно преобразуется в желаемые углы в сочленениях с помощью алгоритма обратной задачи кинематики.
Все алгоритмы управления движением роботом, взаимодействия с ним контролируются с помощью ROS (операционная система для роботов. — «Эксперт»). Программные модули написаны на двух языках — частично на Python, частично на C++. Координация с ros-модулями происходит при помощи стандартных сообщений, благодаря чему стороннему разработчику будет нетрудно интегрировать свою программу.
— Как устроена приводная система? Каким образом передается энергия механизму, как робот приходит в движение?
— После того как реализована математическая часть, начинается создание системы управления приводами. Основными требованиями к приводу шагающего робота являются высокое быстродействие и точность удержания позиции, скорости, усилия. Чтобы добиться этого, мы реализовали векторное управление мотором. Угловой датчик, работающий на основе эффекта Холла, и датчики фазных токов мотора позволяют регулятору контролировать усилие на выходном валу привода. Регулируя уставку усилия (значение величины, по достижении которого состояние системы меняется. — «Эксперт»), мы можем заставить привод поддерживать желаемую позицию и скорость. Важным отличием бесколлекторного варианта от сервоприводов на коллекторных моторах является его способность безболезненно переносить воздействие любых внешних сил на выходном валу: ударные нагрузки при контакте ног робота с поверхностью быстро сломают редуктор коллекторного сервопривода, в то время как наша модель при превышении максимального усилия удержания просто провернется. Внешне этот эффект проявляется в некоторой «эластичности» робота, словно мотор связан с валом привода через пружину.
— В какой момент в игру вступает искусственный интеллект? И что под ним в данном случае понимается?
— Искусственный интеллект необходим для генерации походки. Под ним понимаются модели «обучение с подкреплением», «эволюционные стратегии» и так далее. В дальнейшем сюда же можно будет отнести работу с компьютерным зрением и ориентацией робота в окружающей среде. Более того, ИИ помогает выбирать тип походки, частоту и длину шага, соотношение фазы опоры к фазе переноса в зависимости от желаемой скорости устройства и вида поверхности. Существуют методы определения соприкосновения ступни с землей без использования датчиков силы.
Российский проект — платформа с открытой архитектурой, на которой ученые могут применять собственные алгоритмы. Ее главная ценность в том, что она открывает доступ ко всем «внутренностям» шагающего робота
— Расскажите об электронной начинке робота. Вы ее тоже сами создавали или купили в Китае?
— Условно электронные системы нашего пса можно разделить на несколько групп: система управления приводом, система электропитания и система передачи информации между «железом» и бортовым компьютером. Все они разработаны нашей командой. Про управление приводом я уже говорил. Система электропитания рассчитана на входное напряжение до 50 вольт и ток потребления до 40 ампер — это обеспечивает ограничение стартового тока, защиту от переполюсовки и короткого замыкания на выходных шинах.
При работе моторов в режиме генерации энергии избыточный ток сливается в батарею. Реализована также поддержка hot-swap, то есть робот может быть подсоединен к трем источникам питания одновременно. При разрядке выбранного источника происходит автоматическое переключение на запасной, что позволяет менять батареи без необходимости выключения и перезагрузки устройства. За связь между бортовым компьютером и аппаратными средствами отвечает мост Ethernet-FDCAN нашей разработки. Передача сообщения из программы на бортовом компьютере в привод и обратно занимает около 400 микросекунд. В качестве такого компьютера мы использовали китайскую машину Beelink на восьмиядерном процессоре Intel N305. Высокая мощность процессора позволяет реализовывать вычислительно сложные алгоритмы управления на «медленных» языка типа Python, что значительно ускоряет создание ПО высокого уровня. Архитектура робота дает возможность использовать в качестве бортового любой компьютер с портом Ethernet.
— Сколько всего деталей в вашей железной собаке, из чего и где они изготовлены?
— В конструкции робота около 60 деталей (но разных всего 18), в основном из алюминия. Между ними нет никаких сварных, клеевых и подобных соединений, устройство можно легко разобрать и собрать заново. Это важно для научных групп, которые будут с работать с нашим робопсом.
Сложнее всего было спроектировать все детали относительно легкими и при этом жесткими: мы изначально стремились к тому, чтобы робот был как можно более «настольным». Здесь используются достаточно небольшие приводы по сравнению с другими роботами: уменьшение массы для нас также было чрезвычайно важно.
Практически все детали робота изготовлены фрезеровкой. В одной из тестовых версий было принято решение обеспечить легкий доступ к бортовому компьютеру пса и вынести необходимые для подключения внешних устройств разъемы в этот же отсек. Для этого нам пришлось переделать основную часть корпуса таким образом, чтобы верхняя половина перестала быть несущей частью конструкции и свободно открывалась.
— Какие задачи при создании робота оказались наиболее сложными?
— Были большие проблемы с созданием собственных редукторов. Кроме того, идентичные на первый взгляд компоненты на деле могли вести себя по-разному. Однако выделить какие-то общие сложности трудно — по сути, в каждом узле робота было множество своих маленьких задач, для которых приходилось искать компромиссные решения. Ну и конечно, очень тяжело заставить все элементы устройства работать вместе как на программном, так и на аппаратном уровне.
Но, наверное, самой неожиданной оказалась ситуация, когда уборщица выбросила коробку с только что изготовленной электроникой. Пришлось делать все заново.
— Как вы испытывали свою железную собаку? Что она показала, сразу ли оправдала ваши ожидания?
— Мы испытывали устройство в лаборатории без больших нагрузок. Ключевые умения пса на сегодняшний день — стабильно включаться и ходить. Мы отладили его походку, прикрепили к корпусу лидар, чтобы бортовой компьютер мог вычислять координаты и строить карту; привили минимальную базу — подавать лапу, поскольку робот сделан по образу и подобию собаки. Грузоподъемность у него небольшая, не более одного килограмма, и сам он довольно маленький, размером с кошку. Двигается робопес со скоростью порядка трех с половиной километров в час, способен работать около часа. Питание — батарея напряжением 25,2 вольта.
— Если сравнивать с похожими зарубежными разработками, это не самые выдающиеся достижения для шагающего робота. Занесенное в Книгу рекордов Гиннесса китайское творение способно пройти без остановки более 134 километров за 54 часа. Правда, непонятно, есть ли смысл устраивать гонку за рекордами…
— Смысл, конечно, есть, чтобы понимать, какие предельные значения существуют для робота, но все зависит от целеполагания. Есть устройства, которые могут тащить за собой самолет, есть такие, которые умеют перелезать через забор, — все это очень полезно и интересно.
— Что вообще при создании шагающих роботов считается результатом, к которому следует стремиться, — скорость этих четвероногих машин, способность преодолевать препятствия, грузоподъемность? И что нужно, чтобы приблизиться к совершенству?
— Совершенства не бывает, есть только прикладной результат. Если робот выполняет свою задачу и делает это лучше и эффективнее человека, то он имеет право на существование. Пока шагающие машины накапливают потенциал для реального применения.
— Если я пойду в поход с вашим робопсом, надеясь, что он будет помогать в пути, к чему мне надо быть готовой? Может ли эта игрушка действительно стать полезной?
— К сожалению, когда батарея робота разрядится, вам придется нести еще и его. Питание — критическая часть любой машины. В управлении проблем не будет, здесь простой алгоритм — чтобы железный пес всюду следовал за вами. Но могут возникнуть трудности с преодолением препятствий, если вы решите идти по песку, по лесу, через канаву, через упавшее дерево и так далее. Это уже сложные алгоритмы.
— А в чем их сложность? Живые собаки легко справляются со всеми перечисленными задачами…
— В нашем роботе таких алгоритмов пока нет, и это задача для тех научных групп, которые будут дорабатывать модель. Сложность как раз в написании алгоритмов, потому что есть особенности механики, электроники, вычислительных мощностей и накладывающейся сверху математики.
— Какие научные задачи сегодня стоят перед робототехникой в широком смысле и конкретно перед вашей командой?
— Задача робототехники — создавать машины для помощи человеку, такие же полезные, как робот-пылесос — пока единственный коммерчески удачный пример сервисного устройства. А наша команда будет растить профессионалов, которые станут строить собственные, более совершенные устройства, способные стать массовым, востребованным продуктом в своих рыночных нишах и значительно облегчить быт людей.
