Как делают железных «друзей человека»? Рассказал инженер Антон Рогачев

ЭкспертРепортаж

Куда идут роботы

На базе разработок МГУ будет создано первое в России коммерческое производство шагающих робособак. О том, как делают железных «друзей человека», — в интервью с инженером Антоном Рогачевым

Наталья Быкова

Антон Рогачев видит задачей робототехники создание машин для помощи человеку, таких же полезных, как робот-пылесос

«…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. Какоголибо 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 и фазы переноса в зависимости от желаемой скорости устройства и вида поверхности. Существуют методы определения соприкосновения ступни с землей без использования датчиков силы.

Пока шагающие роботы накапливают потенциал для реального применения

— 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 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.

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«С нашими робосистемами мир таким, как раньше, уже не будет» «С нашими робосистемами мир таким, как раньше, уже не будет»

Компания «Технорэд» нашла способ сделать промышленных роботов доступными

Эксперт
Многоженство и бытовое насилие: против чего выступают феминистки Узбекистана Многоженство и бытовое насилие: против чего выступают феминистки Узбекистана

Феминистки Узбекистана о защите женских прав и силе консервативных традиций

Forbes
Главный финансовый психолог Главный финансовый психолог

Как Даниэль Канеман сделал экономическую науку человечнее

Деньги
«Комплексы»: как термин Юнга стал популярным и что он означает «Комплексы»: как термин Юнга стал популярным и что он означает

Откуда пошло понятие «комплексы» и каков его глубинный смысл

Psychologies
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
Хорошие ужастики 90-х, которые почти никто не видел Хорошие ужастики 90-х, которые почти никто не видел

Хорроры 90-х, которые прошли мимо массового зрителя по разным причинам

Maxim
Покупка подержанного BMW X1 (2009-2015) Покупка подержанного BMW X1 (2009-2015)

Что учитывать, покупая подержанный BMW X1?

4x4 Club
Маск и Люцифер вошли в чат: как стартап Character.AI меняет индустрию развлечений Маск и Люцифер вошли в чат: как стартап Character.AI меняет индустрию развлечений

Character.AI — первый шаг к тому, что боты заменят людей?

Forbes
Образ жизни Образ жизни

Коллекционер Аля Есипович превратила свои квартиры в экспо

Собака.ru
Ирония судьбы на французском: как Вуди Аллен переизобретает себя в Европе Ирония судьбы на французском: как Вуди Аллен переизобретает себя в Европе

«Великая ирония»: почему именитые режиссеры все больше заняты самоповтором

Forbes
Трансформирующие, междисциплинарные и «без стен» | Transformative, Interdisciplinary, and “Without Walls” Трансформирующие, междисциплинарные и «без стен» | Transformative, Interdisciplinary, and “Without Walls”

Обзор стратегии развития европейских университетов до 2030 года

Позитивные изменения
Болезненный укол: какие ошибки совершают медицинские стартапы Болезненный укол: какие ошибки совершают медицинские стартапы

Какие ошибки совершают предприниматели, желающие запустить MedTech-проект

Forbes
Антонио Муньос Молина: «Ночь времен». Фрагмент из романа Антонио Муньос Молина: «Ночь времен». Фрагмент из романа

Отрывок из масштабного романа о человеке, живущий делом своей жизни

СНОБ
Возможны ли пилотируемые полеты к звездам? Возможны ли пилотируемые полеты к звездам?

«Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели…»

Знание – сила
Белорусский «Кречет» Белорусский «Кречет»

Концептуальная модель боевого модуля «Кречет»

Обозрение армии и флота
Самарская Лука. «Вот такое в свете чудо»… Самарская Лука. «Вот такое в свете чудо»…

Самарская Лука, полная тайн и загадок, точно достойна того, чтобы здесь побывать

Зеркало Мира
Расстрел Белого дома: что на самом деле случилось в Москве 4 октября 1993-го? Расстрел Белого дома: что на самом деле случилось в Москве 4 октября 1993-го?

Что случилось в Москве 4 октября 1993-го?

Maxim
Как менялся взгляд на женскую психотерапию и чем она отличается от мужской Как менялся взгляд на женскую психотерапию и чем она отличается от мужской

Как психоанализ и феминизм искали причины различий проблем женщин и мужчин

Forbes
Как детские психологические травмы приводят к ожирению у взрослых Как детские психологические травмы приводят к ожирению у взрослых

Как именно ментальные проблемы сказываются на нашем теле?

Psychologies
Золотая лихорадка: кто и почему охотится за старой электроникой Золотая лихорадка: кто и почему охотится за старой электроникой

Сколько и каких драгметаллов было в телевизорах и компьютерах ушедшей эпохи

ТехИнсайдер
Свобода от обязательств: 5 преимуществ секса со зрелой женщиной Свобода от обязательств: 5 преимуществ секса со зрелой женщиной

Что с возрастом происходит с женской сексуальностью?

Psychologies
Большинство россиян отказываются от сладкого и мучного, чтобы похудеть. Эффективно ли это? Большинство россиян отказываются от сладкого и мучного, чтобы похудеть. Эффективно ли это?

Каких правил следует придерживаться, отказываясь от сахара?

Psychologies
Желуди и каштаны. О пользе игр с природными материалами для детей Желуди и каштаны. О пользе игр с природными материалами для детей

Как игры с желудями и каштанами помогают развивать воображение и мелкую моторику

СНОБ
Черный лебедь и Ревущий Котенок Черный лебедь и Ревущий Котенок

«Дурные деньги»: история Кита Гилла, сломавшего Уолл-стрит

Weekend
Из его картин ползли мокрицы. Человек умирал, разрушался, мастер — продолжал жить. Как Врубель писал портрет Брюсова Из его картин ползли мокрицы. Человек умирал, разрушался, мастер — продолжал жить. Как Врубель писал портрет Брюсова

Ему все чаще казалось, что из его картин ползут мокрицы

ТехИнсайдер
Дорогой, мы зависли: почему отношения не развиваются Дорогой, мы зависли: почему отношения не развиваются

Что делать с отношениями, которые застыли в стадии “Пока не женаты”

VOICE
Кто украл кефир? История появления кефира в России Кто украл кефир? История появления кефира в России

Как же в России узнали секрет любимого всеми напитка — кефира?

ТехИнсайдер
Невыносимо долго: почему фильмы стали такими длинными Невыносимо долго: почему фильмы стали такими длинными

Разбираемся, есть ли связь между длиной кино и его успехом

РБК
Стесняюсь спросить: 13 мифов о контрацепции, с которыми давно пора разобраться Стесняюсь спросить: 13 мифов о контрацепции, с которыми давно пора разобраться

Как грамотно выбрать метод контрацепции, которая по сей день окутана мифами

Правила жизни
«Я не отнимал у них жизнь — они сами ее у себя отнимали»: история одного ужина с палачом «Я не отнимал у них жизнь — они сами ее у себя отнимали»: история одного ужина с палачом

О встрече с Джерри Гивенсом — бывшим главным палачом штата Вирджинии

Psychologies
Открыть в приложении