С каждым годом в мире возникает все больше ситуаций, требующих от людей выполнения самых разнообразных работ в тяжелых, опасных, а подчас и несовместимых с жизнью условиях. В ответ появляются все новые средства экстремальной робототехники.

Правда, в своем большинстве они очень похожи друг на друга. Как правило, для выполнения задач на суше это самоходное колесное или гусеничное шасси с установленными на нем манипулятором, средствами наблюдения или другим оборудованием. Управление осуществляется дистанционно по радио или кабелю, а питание — от аккумуляторов или также по кабелю. Эти роботы создаются уже не один десяток лет. Сложившимися за это время коллективами накоплен большой опыт по их разработке и применению, в ряде случаев весьма эффективному. Однако нельзя отрицать, что такая техника имеет (как и любая другая) ограниченные возможности и, соотв., сферы применения. И все так же люди, рискуя здоровьем и жизнью, работают в завалах, на пожарах, в условиях химического, биологического и радиоактивного заражения, борются с преступниками и террористами. Причем, чаще всего это происходит не в чистом поле, а в зданиях и различных сооружениях, кабинах, трюмах и других подобных помещениях, т.е. в условиях, изначально созданных для человека, с учетом его двурукости, двуногости, типичных размеров, массы и, если можно так сказать, кинематики тела.

По этой причине развиваются и другие направления экстремальной робототехники. Создаются средства с самой разнообразной кинематикой и размерами исполнительных механизмов. Существенно различаются они и по динамическим, и по энергетическим характеристикам. В качестве одного из таких средств может использоваться робототехнический комплекс, включающий в себя антропоморфный двуногий шагающий манипуляционный робот (ДШМР) и мобильный пост управления. ДШМР по кинематике, размерам и массе аналогичен человеку, снабжен автономным источником энергии, средством связи с постом управления, а также мощной системой управления, позволяющей выполнить некоторые действия в супервизорном или автоматическом режиме (например самостоятельный выход с места работ при отсутствии связи). Такой робот может иметь значительные преимущества в среде, приспособленной для человека.

При нынешнем уровне развития техники выполнение сложных нестандартных действий в непредсказуемой обстановке возможно только под управлением человека. Одним из наиболее удобных способов управления антропоморфным роботом является копирующее управление, которое в сочетании со средствами виртуальной реальности, может создать у оператора ощущение присутствия на месте работ и таким образом многократно повысить качество и производительность работ по сравнению с традиционными средствами экстремальной робототехники.

Для управления ДШМР может использоваться мобильный пост, оснащенный средствами связи и задающим органом, которые вместе с приводами робота образуют обратимую многостепенную систему приводов.

Такой робототехнический комплекс может использоваться как средство разведки, спасательное, аварийно восстановительное, а также боевое средство как на суше, так и под водой.

Дополнительные преимущества дает возможность работы нескольких операторов, специалистов в разных областях, работающих на один робот, несколько дежурных роботов на один пост управления и оперативное переключение поста управления с одного робота на другой (например, работающий в наиболее важном месте или с вышедшего из строя на исправный).

Распределенные по обслуживаемому объекту роботы и посты управления позволяют создать инспекционно-охранную систему немедленного реагирования. Небольшая группа квалифицированных специалистов-операторов, специализирующихся на различных видах работ, может оперативно переключаться на управление роботами, заранее размещенными в потенциально опасных местах объекта.

Для создания такого робототехнического комплекса на первом этапе (создание опытного образца) необходимо решить ряд научных, технических и организационных проблем. Должны быть созданы:

— конструкция исполнительного механизма, использующая новые, нетрадиционные конструктивные решения,

— конструкция задающего механизма, обеспечивающая удобство работы оператора,

— приводы (по предварительным оценкам, электрогидравлические),

— источник питания с высокой удельной мощностью,

— система очувствления, использующая силомоментные, тактильные, телевизионные, аккустические и др. сенсоры, а также система ориентации и навигации,

— система отображения информации в форме, удобной для оператора,

— система управления, состоящая из аппаратуры поста управления и бортовой системы антропоморфного робота,

— алгоритмы управления, обеспечивающие обратимое дистанционное управление системой приводов с учетом динамики исполнительного и задающего механизмов, приводов и управляющих свойств человека, а также реализующие супервизорное и автоматическое управление,

— методика применения комплекса, подготовленные операторы,

— устойчивый коллектив разработчиков комплекса, налаженное финансирование работ.

При этом придется решить множество технических, технологических и научных проблем. Так, для осуществления сложных координированных движений ДШРМ должен иметь большое количество управляемых степеней подвижности (человек имеет около 330). Имея на вооружении лишь традиционные методы теории управления, невозможно управлять многозвенной системой, содержащей пусть значительно меньшее, но все равно очень большое по современным меркам количество приводов. Нужны новые методы анализа и синтеза систем управления, учитывающие специфику ДШРМ.

Исполнительный механизм ДШРМ имеет переменную структуру. Она изменяется как в процессе движения ДШРМ к объекту работ, так и в процессе выполнения им рабочих операций. При этом образуются как разомкнутые, так и замкнутые кинематические цепи. Методы управления такими механизмами требуют дальнейшего развития. В ДШРМ существуют неуправляемые (фиктивные) степени подвижности. Управлять ДШРМ по этим степеням подвижности возможно только с помощью управления другими (управляемыми) степенями подвижности с учетом наложенных на исполнительный механизм связей с опорной поверхностью и другими объектами окружающего пространства. Эта задача управления носит динамический характер и требует специфического подхода к управлению ДШРМ.

Бортовой источник энергии ДШРМ располагает существенно огра­ниченной мощностью, что ужесточает требования к качеству приводов, вносит дополнительную специфику в алгоритмы управления.

В процессе движения и выполнения рабочих операций существенно изменяются массы и моменты инерции как собственно ДШРМ, так и взаимодействующих с ним внешних тел. Это приводит к необходимости разработки алгоритмов идентификации его динамических параметров в реальном времени.

Для перемещения в изменяющейся внешней среде и выполнения рабочих операций ДШРМ должен быть оснащен системой технического зрения. Большой интерес представляет создание навигационно-информационной системы — гибрида инерциальной навигационной системы и системы технического зрения.

И наконец одой из важнейших и сложнейших научных задач, которую необходимо решить при создании такого робота, является собственно задача управления ходьбой.

Первая шагающая машина появилась приблизительно в 1870 году. В ней использован шарнирно-рычажный механизм Чебышева. С тех пор работы в этом направлении не прекращались. Сначала делались попытки создавать механизмы, состоящие из жестких стержней, соединенных шарнирами и являющиеся механическим средством генерирования движений простой формы. Возможности таких машин были ограничены жестко заданной траекторией движения ног относительно корпуса, из-за чего они не могли приспосабливаться к неправильному рельефу грунта, помещая стопу на оптимальную следовую точку. К концу 50-х годов, на фоне успехов вычислительной техники и других средств автоматического управления, стала очевидной бесперспективность такого подхода, хотя попытки создавать такие машины не прекратились. Правда относятся они теперь скорее к сфере детского технического творчества.

Современные, управляемые при помощи компьютера шагающие роботы и другие машины с различным количеством ног создают практически во всех промышленно развитых странах мира. В 1968 г. Мошер создал в США первый настоящий двуногий шагающий робот, получивший название «Риг». Он имел дистанционное управление. Механизм робота имел только две степени подвижности: одну в голеностопном суставе, другую — в бедренном. Стопы были оснащены датчиками силы, используемыми в цепи обратной связи контура управления стабилизацией робота. В 1970 г. в университете Васеда (Япония) был создан двуногий шагающий робот WAP (Waseda Automatic Pedipulator). Это был полностью автоматический шагающий робот, тоже имевший очувствленные стопы. Также в Японии в 1971 г. появился двуногий шагающий робот WL-3 (Waseda Leg), способный перемещаться по гладкой поверхности, лестнице и уклонам, а в 1972 г. — робот WL-5 с гидравлической системой приводов. Этот робот был пригоден для передвижения и переноса груза массой до 30 кг. Его общая масса составляла 130 кг. Рабочая жидкость подавалась в гидроприводы от внешней насосной станции. WL-5 перемещался в режиме статической ходьбы, т.е. в любой момент времени его центр масс находился над площадью опоры. В 1973 г. в Японии был представлен ДШМР WAM-4 с двумя руками, глазами, ушами и даже ртом, напоминавшими человеческие.

По сей день Япония проявляет наибольшую активность в области создания антропоморфных шагающих роботов и достигла в этом деле больших успехов. Такие работы ведутся в Токийском университете, университете Васеда совместно с фирмой «Hitachi», в Оксакском университете, университете г. Шиба, Биомедицинском инженерном институте, Токийском технологическом институте и в других организациях. В начале 80-х созданы роботы WL-9RD (статическая ходьба), WL-9RDmk11 (квазидинамическая ходьба). Наконец, всем известный робот «Asimo» фирмы Honda кроме полноценной динамической ходьбы демонстрирует массу других функций, делающих его не просто универсальной шагающей машиной, а настоящим роботом. Среди этих возможностей — техническое зрение, синтез и распознавание речи, ориентирование в пространстве.

Менее известны работы исследователей других стран.

В Югославии в начале 70-х годов под руководством М. Вукобра-товича создан и испытан ряд активных экзоскелетонов, предназначенных для возвращения двигательной активности людям с парализованными нижними конечностями. Тогда же в Оксфордском университете (Англия) изготовлен двуногий протез платформенного типа «Даклинг» для людей, лишенных обеих ног. Человек садился на платформу и покачивался из стороны в сторону, отрывая поочередно то правую, то левую ногу. Специальный пружинный механизм обеспечивал переброс поднятой ноги вперед. Смена опорных ног из-за покачивания седока обеспечивала при этом передвижение аппарата вперед. Человек легко приспосабливался к обеспечению требуемой частоты боковых покачиваний в соответствии с частотой собственных колебаний ног в продольном направлении под действием пружины. При этом человек одновременно обеспечивал боковую устойчивость. Аппарат был способен передвигаться только по ровной горизонтальной поверхности. В дальнейшем на этот платформенный протез был установлен механический наездник, обеспечивающий необходимое покачивание корпуса, установленного на платформе, с помощью гидравлического сервопривода. Таким образом, был создан двуногий шагающий робот.

Самая успешная версия активного экзоскелета для реабилитации людей, страдающих параличом нижних конечностей. Сделанная и протестированная в Белграде в ортопедической клинике в 1972 году, она приводилась в действие с помощью пневмопривода и была аппаратно запрограммирована. Один экземпляр был поставлен в центральный институт травматологии и ортопедии в Москву в рамках советско-югославского международного научного сотрудничества. С 1991 года экзоскелет принадлежит основному фонду Политехнического музея (Москва) и Государственному музейному фонду РФ (рис. 4). Он экспонируется в отделе музея, посвященном развитию автоматики и кибернетики.

Из современных работ большой интерес представляет работа специалистов Мюнхенского технического утиверситета – антропоморфный шагающий робот «Johnnie» (рис. 1). Кинематика и габариты этого робота подобны человеческим. Он имеет 17 управляемых степеней подвижности, оснащенных электрическими сервоприводами. На стопах установлены шестикомпонентные силомоментные датчики, имеется бесплатформенная система ориентации робота и система технического зрения. Робот способен двигаться с высокой скоростью в режиме динамической ходьбы по ровной горизонтальной и наклонной поверхностям, а также по ступеням. Система технического зрения позволяет обнаруживать и преодолевать препятствия (обходить и перешагивать).

Рисунок 1. Робот «Johnnie» (Германия).

Подобные работы ведутся в Берлинском техническом университете, в университетах в Нью-Гемпшире, Мичигане, Масачусетсе, а также в Сербии, Австралии и других странах.

В СССР, а затем в России с начала 70-х годов теоретически и методами математического моделирования выполнен большой объем работ по исследованию динамических режимов движения шагающих роботов. В Институте прикладной математики (ИПМ) АН РФ и Институте механики (ИМ) МГУ им. М.В. Ломоносова выполнены работы по исследованию и оптимизации энергетики движения и по разработке алгоритмов управления движением двуногих и четырехногих машин, перемещающихся в различных динамических режимах движения: ходьба, бег, прыжки. Вопросы устойчивости движения шагающих машин в квазидинамических режимах, когда имеются непродолжительные статически неустойчивые фазы, исследовались в Институте машиноведения АН РФ.Основная проблема и сложность управления двуногой ходьбой — необходимость стабилизации неустойчивой конфигурации, которая при выключенном управлении не может быть реализована. (Заметим, что «отключение» вестибулярного аппарата человека даже на одну секунду приводит к падению!)

Учёные-механики исследовали механико-математическую модель двуногого робота, представляющего собой плоский пятизвенный механизм, состоящий из корпуса и двух одинаковых двухзвенных ног без стоп. Ими была решена сложная задача синтеза движений двуногого шагающего антропоморфного механизма. Была разработана модель робота, которая получила имя «Рикша». В движение она приводилась с помощью двух ног, и одновременно имела еще и два колеса.

Ходьба аппарата, как и человека, представляет собой последовательность чередующихся одноопорной и двухопорной фаз. В одноопорной фазе аппарат опирается на одну ногу, другая нога при этом переносится. В двухопорной фазе аппарат опирается на обе ноги. Одноопорное движение считается баллистическим (пассивным), т.е. происходящим без приложения каких-либо активных воздействий (моментов) в шарнирах механизма. Двухопорная фаза считается мгновенной, так что управляющие моменты в шарнирах являются импульсными, вызывающими скачкообразное изменение скоростей звеньев. Ходьба сконструированного макета подтвердила применимость предложенного метода баллистического управления ходьбой.

В ИПМ АН Украины разработаны алгоритмы управления для динамических режимов шагания и бега двуногих и четырехногих машин с использованием методов аналитического конструирования регуляторов. Для управления используются уравнения движения, линеаризованные в окрестности заданного программного режима.

Большая часть этих работ прекратилась в начале 90-х. Научные коллективы распались. Кроме того, при большом теоретическом заделе в РФ проводилось очень мало экспериментальных исследований динамических режимов движения двуногих шагающих роботов.

Редкие представители подобного рода работ — два лабораторных макета электромеханических двуногих шагающих роботов, созданные в 80-е годы в Институте механики МГУ совместно с Институтом прикладной математики АН РФ и Институтом проблем передачи информации АН РФ. Оба макета предназначены для отработки системы управления в режиме динамической ходьбы. Они способны двигаться лишь по прямой, совершая плоское движение в сагиттальной плоскости, не имеют управляемых стоп.

Первый макет имеет телескопические ноги и всего две независимые степени подвижности. Конструктивно наложены две механические связи: суммарная длина ног сохраняется постоянной, а корпус лежит на продолжении биссектрисы угла, образованного ногами. Аппарат приводится в движение двумя электродвигателями, один из которых изменяет разность длин ног, а второй — изменяет угол между ногами. Второй макет имеет антропоморфную кинематическую схему с двумя двигателями на каждой ноге. Высота обоих макетов составляет 0,6 м, масса первого макета — 4 кг, а второго — около 6 кг.

В 1976 − 82 годах в Институте механики МГУ исследовали механико-математическую модель двуногого робота, представляющего собой плоский пятизвенный механизм, который состоит из корпуса и двух идентичных двухзвенных ног. Ходьба аппарата, как и человека, представляет собой последовательность чередующихся одноопорной и двухопорной фаз. В одноопорной фазе аппарат опирается на одну ногу (опорную), другая нога при этом переносится. В двухопорной фазе он опирается на обе ноги. Одноопорное движение считается баллистическим (пассивным), т.е. это движение происходит по инерции. На аппарат действуют только сила тяжести и, разумеется, силы реакции опоры. А вот приложение каких-либо активных воздействий (моментов сил) в шарнирах («суставах») механизма происходит в двухопорной фазе. При ходьбе человека фаза двойной опоры занимает примерно 20 % времени всего шагового цикла, в рассмотренной же модели робота двухопорная фаза считается мгновенной. В 1990-х годах были сконструированы два макета двуногого шагающего робота: один с двумя телескопическими ногами, другой − антропоморфный и разработаны алгоритмы управления ими на основе предложенного метода баллистического управления ходьбой.

Двуногий пятизвенный антропоморфный шагающий механизм сконструирован в 1994 году (авторы: А.А. Гришин, С.В. Житомирский, А.В. Ленский, А.М. Формальский). Аппарат управляется четырьмя электроприводами — два в коленных суставах, два в тазобедренных. В голенях смонтированы датчики усилий, при помощи которых измеряются реакции опоры, приложенные к ногам механизма. Алгоритм управления обеспечивает автономное передвижение (ходьбу) аппарата.В настоящее время аппарат экспонируется в Политехническом музее г. Москвы.

Известны также созданные на с-Питербургском предприятии «Новая эра» антропоморфные шагающие роботы «Arneo», однако, к сожалению активного продолжения эта работа не получила.

Таким образом, можно констатировать, что в настоящее время существует значительное, не менее 20 лет, отставание России в области создания двуногих шагающих роботов, и это отставание постоянно растет.

На этом фоне с 1989 г. в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана усилиями коллектива, состоящего из сотрудников двух подразделений – Межотраслевого института повышения квалификации (МИПК) и кафедры Гидромеханики, гидромашин и гидропневмоавтоматики (Э10) ведутся работы по созданию шагающих роботов и антропоморфных механизмов.

В 1990 г. создан первый лабораторный образец двуногого шагающего робота с электрогидравлическим следящим приводом и реализована статическая ходьба по ровной поверхности. Десятистепенной исполнительный механизм имел высоту около 1 м и массу около 90 кг. Электрогидравлические приводы на основе авиационных электрогидравлических усилителей питались рабочей жидкостью от внешней насосной станции по шлангам. Датчики углов, расположенные в шарнирах, кабелями соединялись с системой управления, которая также находилась вне исполнительного механизма. Основой системы управления служили два компьютера ДВК-2 с платами сопряжения от станков с ЧПУ. Малая производительность компьютеров не позволяла полностью реализовать управление в реальном времени, поэтому траектория движения рассчитывалась заранее.

Тем не менее, тогда удалось разработать адекватные математические модели динамики исполнительного механизма с электрогидравлическими приводами. Был разработан алгоритм управления, использующий итерационный метод решения обратной задачи кинематики робота. Этот метод использовал псевдообращенную матрицу Якоби, что позволило решить проблему кинематической избыточности робота. В дальнейшем на стопы робота были установлены силомоментные датчики, позволявшие измерять все силы и моменты, действующие на робота со стороны опорной поверхности. С их помощью были проведены дальнейшие исследования динамики системы приводов, уточнены математические модели.

В 1991 г. изготовлен макетный образец роботизированного манекена для испытания защитной одежды (рис. 2). В ходе работы над его конструкцией отработаны некоторые конструктивные решения, которые могут быть использованы при создании исполнительных механизмов роботов с электрогидравлическими приводами.

Рисунок 2. Роботизированный манекен для испытания защитной одежды.

В начале 90-х коллектив сильно поредел, интенсивность работы над роботом многократно снизилась, однако с 1996 г. началась модернизация робота, плавно переросшая в создание практически нового лабораторного образца робота. Теперь насосная станция гидропитания и система управления находятся непосредственно в корпусе робота. Увеличено до 12 число управляемых степеней подвижности. Имеется бесплатформенная система ориентации, силомоментное очувствление стоп. Из-за полного отсутствия финансирования эта работа затянулась почти на 10 лет, однако в 2005 г. ситуация изменилась к лучшему. Нам удалось практически закончить модернизацию лабораторного робота и вспомогательного оборудования. Теперь он готов к проведению экспериментальных исследований.

Высота робота 2.2 м, масса 180 кг. Давление рабочей жидкости 20 МПа. Электроэнергия подводится по кабелю. Бортовая система управления собрана на основе обычного персонального компьютера, к которому добавлены специфические для данного робота устройства сопряжения, питания и т.п.

Программное обеспечение системы управления робота создано с использованием операционной системы реального времени QNX-6. В основу положен модульный принцип. ПО состоит из относительно независимых компонент, связанных между собой программой-транспортом, которая обеспечивает обмен данными и командами в жестком реальном времени.

В настоящее время совершенствуются алгоритмы управления роботом, использующие информацию от силомоментных датчиков стоп и системы ориентации, ведется подготовка программного обеспечения для управления роботом в режиме динамической ходьбы. Продолжается модернизация аппаратуры робота, решаются вопросы улучшения динамики системы электрогидравлических приводов, обострившиеся после того, как масса и размеры робота увеличились почти в 2 раза. Совершенствуется методика автоматизированного построения математических моделей робота, представляющего собой не закрепленный к неподвижному основанию механизм с древовидной кинематикой, на который наложены внешние связи.

В работе над созданием и совершенствованием робота принимают активное участие студенты кафедры Э10. Они работают над алгоритмами управления роботом, визуализацией процесса движения на ПК, изучают публикации зарубежных коллег на данную тему, участвуют в наладке аппаратуры и механизмов робота. Все это для них является замечательной возможностью применить полученные знания на практике, получить практические навыки работы, а так же расширить и углубить знания в этой области.

В заключение следует отметить, что в последние годы во всем мире работы по созданию шагающих роботов, в том числе антропоморфных, заметно активизировались. Многие ведущие университеты и крупные фирмы считают это вопросом престижа, поскольку создание таких аппаратов наглядно свидетельствует о технических и организационных возможностях исследовательских центров.

А.К. Ковальчук, С.Е Семенов, Д.Б. Кулаков, Г.Ю. Горина

МГТУ им. Н.Э. Баумана кафедра Э10.

Категория: История, МГТУ им. Баумана | 37 комментариев »

Комментарии