Текст книги "Знакомьтесь - роботы!"

Автор книги: Арон Кобринский

Соавторы: Иван Артоболевский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 17 страниц)

Стопоходящие

Сделаем один шаг

Наш далекий предок таскал грузы на собственном горбу. Взвалив на спину тушу убитого зверя, он нес ее на стоянку, обходя валуны, пробираясь между деревьями, увязая в песчаных, илистых, заболоченных почвах, взбирался на крутые откосы, горы и скалы. Грубо оценивая его возможности, считают, что за день он мог перенести груз, равный его собственному весу, на расстояние 10–45 километров.

Транспортные возможности значительно выросли, когда человек догадался использовать для этой цели животных. Грузоподъемность вьючного животного примерно втрое превышает возможности человека при не слишком большом увеличении дальности перевозок. Но оно не умеет так ловко, как человек, карабкаться по крутым склонам, продираться сквозь лесную чащу.

Около 6 тысяч лет назад человек изобрел колесо.

Колесная повозка по сравнению с вьючным животным чуть не в десять раз увеличила возможность перемещать грузы, однако при этом приходилось тщательно выбирать путь движения. Даже небольшие и совсем несложные для человека препятствия оказывались для повозки непреодолимыми; понадобилась искусственная дорога. Усовершенствование экипажей, повышение их скоростей требовали улучшенных дорог; улучшенные дороги открывали путь к усовершенствованию экипажей. Изобретение железной дороги привело к тысячекратному увеличению объемов перевозимых грузов и дальности их перевозок.

Сегодня автомобили и поезда пересекают сушу во всех направлениях, и складывается впечатление, что "на колесе" можно проехать куда угодно. Наивность такого взгляда становится очевидной, если вспомнить, какие гигантские пространства до сих пор непроходимы для обычных транспортных средств. А в последние годы ведутся исследовательские и конструкторские работы, имеющие целью создать экипажи, которым предстоит двигаться по поверхности других планет.

В первую мировую войну появился гусеничный ход. Гусеничные машины наряду с колесными вошли в строй и широко используются в мирное время в условиях бездорожья. Представление о том, насколько гусеничный ход эффективнее колесного, дают следующие числа: при движении по мягкой почве удельное давление на почву у гусеничной машины в 7–8 раз меньше, чем у колесной, а мощность, необходимая для передвижения, в пересчете на единицу веса в четыре раза меньше. Казалось, оптимальное решение найдено, ничего лучше гусеничного хода для бездорожья не придумаешь!

А между тем поиски продолжаются. Одно из направлений этих поисков привело к шагающим машинам – педипуляторам, приблизительно воспроизводящим движения нижних конечностей человека, стопоходящего животного. Создано много различных конструкций таких машин, использующих для передвижения принцип шагания вместо обычного перекатывания. Интерес к ним возник уже давно. Достаточно сказать, что теорией стопоходящей машины занимался еще в прошлом веке выдающийся русский математик П. Чебышев.

Какими соображениями руководствуются ученые и инженеры, обращаясь к шагающим машинам? В чем же иногда проявляются преимущества машин этого типа перед колесными и гусеничными?

При передвижении по неприспособленной поверхности принцип шагания позволяет при каждом шаге выбирать место, наиболее удобное, чтобы ступить ногой. Колесная и гусеничная машины оставляют за собой не пунктирный след стопы, а непрерывную колею, они не умеют переступать, перешагивать, и их нельзя этому научить. Глубокий след, остающийся за колесом или гусеницей, – результат уплотнения почвы – процесса, неизбежно связанного с затратой большого количества энергии. Стопа шагающей машины, как и стопа человека, тоже вдавливается в мягкую почву, и такое движение тоже сопряжено со значительным расходом энергии, однако опыты свидетельствуют, что расход ее меньше, чем у колесных и даже гусеничных машин.

Наряду с этими преимуществами шагающим машинам свойственны серьезные недостатки. Колеса и гусеницы машин движутся непрерывно, равномерно. Ноги же шагающей машины по отношению к ее корпусу, как и ноги человека по отношению к туловищу, движутся очень сложным образом. Поддержание такого движения требует затраты сравнительно большой энергии, при убыстрении его темпа быстро растут инерционные нагрузки. Шагающая машина не может и никогда не сможет двигаться со скоростью, хоть сколько-нибудь приближающейся к скорости колесной машины, это исключает целесообразность ее применения для движения по дорогам. Конструкция ноги шагающей машины, как и живой ноги, всегда оказывается сложной, она включает несколько подвижных сочленений, каждое из которых нуждается в независимом приводе.

Недостатки стопохождения – неизбежная плата за маневренность и подвижность. Человек легко и быстро поворачивается вокруг вертикальной оси, может прыгать на одной или двух ногах по ровной и неровной поверхности, по ступеням лестницы, не поворачиваясь, отходить назад или в сторону, может приседать, менять походку, переходить на бег, переступать и перепрыгивать. Удивительные возможности этого способа передвижения – вот что направило поиски инженеров, ученых и конструкторов в область стопохождения.

Изучались и изучаются способы передвижения, используемые различными животными и насекомыми, движущимися шагом, бегом и рысью, галопом и прыжками.

Поначалу движение прыжками казалось наиболее предпочтительным. Механизм прыгающей машины сравнительно прост: два неуравновешенных груза, вращающихся в противоположные стороны, развивают периодическую силу, действующую вдоль некоторой оси.

Направлением действия силы легко управлять путем дополнительного поворота грузов. Под действием периодической силы площадка, на которой установлены грузы и приводящий их во вращение двигатель, может прыгать вперед или назад; меняя скорость вращения грузов, можно регулировать длину прыжка. Все бы хорошо, но…

Кузнечик, оттолкнувшись от земли, крылышками поддерживает в полете равновесие и меняет направление и скорость движения, выбирая точку приземления. Кенгуру для этих целей использует хвост. Прыгающую машину при сколько-нибудь большой длине прыжка тоже надо было бы снабдить устройствами стабилизации и управления, чтобы она не кувыркалась в полете. Может быть, это и можно сделать, но тогда от ожидаемой простоты конструкции не останется и следа. Кроме того, чем выше и дальше прыжок, тем сильнее удар о землю; и чтобы спасти груз и машину от поломок, экипаж от увечий, ее нужно снабдить амортизацией, сравнимой с той, какую обеспечивают задние ноги кенгуру или кузнечика, блестяще приспособленные не только для отталкивания, но и для приземления. Поэтому движение прыжками осталось уделом некоторых конструкций механических трамбовок, медленно перемещающихся но обрабатываемой поверхности.

Чем отличается бег от ходьбы? При ходьбе все время хотя бы одна из ног находится в контакте с землей, а во время бега опорные периоды чередуются с безопорными; чем шире шаг, тем длиннее безопорный период. Бегущий человек не задумывается над тем, как поддерживать равновесие тела, как ускорять и замедлять бег, переходить на шаг, удлинять или укорачивать его, – все это он делает "автоматически". Но вот если попытаться построить машину бегающей, движущейся рысью или галопом, то над этим вопросом придется серьезно задуматься. Пока, насколько нам известно, дальше размышлений на эту тему никто не пошел.

Дорога поисков привела к машинам, передвигающимся не бегом или галопом, а неторопливым шагом. И тут возникает немало вопросов, связанных с попыткой в полном объеме воспроизвести походку стопоходящего существа. Чтобы в этом убедиться, поставим левую ногу немного впереди правой и затем сделаем всего лишь один шаг. Проследим, с какими действиями этот шаг сопряжен.

1. Прежде всего начинает двигаться туловище так, что центр тяжести тела перемещается вперед и немного влево, его вес переносится на левую ногу.

2. Правая нога начинает сгибаться в тазобедренном и коленном суставах. Вот уже правая пятка оторвалась от земли, оттолкнулся правый носок, сообщив телу движение вперед.

3. Теперь правая нога в воздухе. С разными угловыми скоростями сгибаются ее бедро и голень так, что, когда она оказалась впереди левой ноги, бедро и голень уже вытянулись в прямую линию и скорость их замедляется к моменту касания правой пяткой земли.

4. А движение тела продолжается, и в момент, когда правая пятка коснулась земли, его тяжесть начинает переносится на правую ногу (вперед и немного направо).

Так в грубых чертах и очень приблизительно выглядит механизм одного шага. Он сопряжен со сложнейшими движениями рук, туловища и головы. Причем все части человеческого тела движутся в различных направлениях, с различными амплитудами отклонений и различными скоростями. Искусственно воспроизвести такое сложное движение практически невозможно, и при попытках построить шагающую машину нет речи о том, чтобы повторить в ней весь механизм шагания человека или другого стопоходящего животного. Нога машины, как рука манипулятора, только приблизительно антропоморфна и, конечно, только в самом скромном объеме может воспроизводить двигательные функции естественной нижней конечности.

Шагающий грузовик

В детстве вы, наверное, пробовали ходить на ходулях. Длинная палка, к ней на некоторой высоте прикреплена опорная площадка для ноги – вот вся нехитрая конструкция ходули.

Оказывается, ходить на ходулях легче, чем стоять на месте. Новичок, чтобы сохранить равновесие, вынужден все время двигаться, хаотически переступая вперед и назад, смещаясь вправо и влево. Даже опытный "ходульных дел мастер" – цирковой артист, исполняя номера, связанные с поддержанием равновесия, непрерывно перемещается.

Можно усложнить конструкцию ходули, снабдив ее двухзвенным механизмом, имитирующим бедро и голень ноги. Связав две такие ходули общей площадкой, можно построить двуногий шагающий механизм. Для привода в движение механических ног можно использовать внешние источники мощности, например электро– или гидропривод, а за человеком оставить функции управления. В результате получится двуногая шагающая машина.

Все бы хорошо, но управление ею займет внимание оператора в течение всего периода пользования, независимо от того, движется он с машиной или пытается стоять на месте: он не сможет ни на секунду отвлечься от непрерывного балансирования. И пожалуй, самый главный довод против двуногих шагающих машин заключается в том, что если привод одной из ног внезапно выйдет из строя и это произойдет, когда вторая нога в воздухе, то катастрофа становится неизбежной,

В созданиях живой природы проглядывает определенная закономерность: чем ниже организация животного, тем большим количеством ног оно располагает. Насекомому природой дано шесть ног, стопоходящему животному – четыре ноги, "венцу творения" – человеку – две. При создании шагающих машин пришлось пойти примерно по тому же пути – делать число ног тем большим, чем ниже уровень организации машины.

Начнем ознакомление со стопоходящими машинами с четырехногой машины, которую иногда называют шагающим грузовиком, иногда механической лошадью. Машина, построенная в США, весит около 1,5 тонны, ее длина достигает 3,5 метра, высота 3 метров, длина ноги 2,3 метра. Она снабжена 90-сильным автомобильным двигателем, приводящим гидронасос, питающий гидродвигатели механизмов ног.

Каждая из ног представляет собой трехзвенный рычаг или трехзвенный манипулятор, все звенья которого движутся в одной плоскости. Движение каждого из сочленений осуществляется отдельным приводом. Оператор располагается в кабине, помещающейся в центральной части машины, руками он управляет передними ногами машины. Управление сводится к тому, что оператор как бы ходит в кабине, двигая в некоторой привычной ему последовательности руками и ногами, причем руками он держит рукоятки, а ноги его стоят на педалях.

Одновременно с движениями рукояток и педалей, воздействующих на гидромеханические сервосистемы, начинают двигаться ноги механической лошади, грузоподъемность которой достигает 500 килограммов, а скорость 10 километров в час. Оператор управляет одновременно 12 приводами и естественным образом может изменять длину шагов и темп движения – "лошади". Все каналы управления обратимы – оператор чувствует сопротивление почвы, когда на нее становится нога машины, так, будто почвы касается непосредственно его нога.

Естественно, что управление такой машиной требует от оператора определенных навыков, начиная с выработки оптимальной походки.

Человек, счастливый обладатель всего лишь двух ног, не должен задумываться, какой ногой ему надо делать второй шаг, если первый шаг он сделал левой. Ясно, что второй шаг надо сделать правой, иначе он рискует оказаться в положении, которое занимает гимнаст, делая так называемый шпагат.

Лошадь или корова, сделав шаг, например, передней левой ногой, оказываются перед проблемой довольно обширного выбора, что делать дальше. Чтобы разобраться в этом, обозначим переднюю левую ногу механической лошади цифрой 1, переднюю правую – цифрой 2, заднюю правую – цифрой 3, заднюю левую – цифрой 4. Будем считать, что одновременно в воздухе может быть только одна нога, иначе машина может опрокинуться. Если перебрать все варианты переступания ногами, окажется, что возможны шесть видов походок, в зависимости от того, какой последовательности придерживаться:

1-2-3-4

1-2-4-3

1-3-2-4

1-3-4-2

1-4-3-2

1-4-2-3

Анализ показывает, что разным походкам свойственна различная степень устойчивости. Лошади и корове природа определила для медленной ходьбы, например, когда они передвигаются по пастбищу, походку типа 1-3-2-4, которая, как оказывается, обладает максимальной устойчивостью.

Шагающий грузовик построен давно и давно прошел испытания. Что они показали? Оператору удается одновременно управлять 12 сервосистемами и воспринимать и реагировать на 12 усилий, отраженных на его руки и ноги. К сожалению, нам неизвестно, какой из шести возможных походок пользовался оператор шагающего грузовика.

Чтобы управлять машиной, нужна тренировка, позволяющая оператору освоить ряд важных особенностей, значительно отличающих машинную походку от естественной.

Прежде всего существует рассогласование между управляющими движениями оператора и движениями ног машины, между моментом, когда сопротивления прикладываются к ее ногам и их подвижным сочленениям, и моментом, когда эти сопротивления чувствует оператор. Оператор сидит и поэтому испытывает при движении машины значительно меньшие усилия, чем их испытывает человек при ходьбе, когда воспринимает полностью вес своего тела. Наконец, движения оператора передаются ногам машины в четырехкратно увеличенном масштабе, то есть шаг машины в четыре раза больше шага оператора; чтобы при этом правильно соразмерять усилия и перемещения, тоже необходим навык.

Несмотря на все эти и другие особенности, усложняющие задачу оператора, опыты показали, что осуществить такой способ взаимодействия человека и машины можно. Повинуясь оператору, машина при испытаниях шла вперед и назад, поворачивалась на месте, балансировала на двух диагонально расположенных ногах, проходила через узкие проходы, тащила по полу груз весом полтонны, поднимала одной передней ногой груз в 200 килограммов, укладывала его на платформу автомобиля и т. д.

Человек и машина связаны в единый биотехнический агрегат. Ноги машины повторяют движения ног человека; выбор темпа движения, приспособление походки к условиям движения, соразмерение шагов с встречающимися на пути препятствиями, способы преодоления препятствий – все это определяет оператор. Его задачи примерно те же, что и при работе на копирующем манипуляторе.

Только вместо двух механических рук ему приходится управлять четырьмя механическими ногами, но зато каждая из ног движется проще в плоскости. Каждая из рук обычного копирующего манипулятора обладает шестью степенями свободы (исключая движение захвата), значит, управляя двумя руками манипулятора, оператору приходится иметь дело с 12 степенями свободы. В шагающем грузовике каждая из ног обладает тремя степенями свободы, для четырех ног получаются те же 12 степеней свободы.

Работы по созданию шагающего грузовика носили поисковый, экспериментальный характер. На базе таких работ часто появляются новые предложения и изобретения. Так, в частности, в технической печати обсуждается возможность создания машины, сочетающей принципы шагания и перекатывания. По хорошей дороге машина катится на колесах; при движении по бездорожью колесо играет роль стопы, а шагание осуществляется управляемым механизмом подвески колеса.

В принципах построения шагающих машин, как и в принципах построения полуроботов, обнаруживаются две тенденции. Одна проявляется в стремлении обеспечить оператору эффект присутствия – посадить его в машину, другая создать телеуправляемую систему.

Многоногие машины

Мы уже знаем о многообразии походок у четвероногих. Еще большее разнообразие их свойственно насекомым. Походка насекомого может сильно меняться, например, в зависимости от скорости его движения.

При медленном движении, скажем, жук, имеющий шесть ног, может ходить, переставляя поочередно по одной ноге; варьируя при этом очередность, он имеет возможность выбрать одну из 120 типов походок.

При большей скорости движения в фазе переноса могут одновременно находиться по две ноги, обычно по одной из трех левых и трех правых; таких походок – симметричных и несимметричных – может быть девять. Наконец, когда жук торопится, он переступает одновременно тремя ногами: двумя левыми и одной правой, затем одной левой и двумя правыми. Он идет так, что всегда опирается на три ноги, образующие опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести его тела. Шесть ног – минимальное число, которое обеспечивает возможность идти медленно или быстро, не раскачиваясь из стороны в сторону, как это приходится делать двуногим и четвероногим, чтобы непрерывно сохранять устойчивое положение.

Вот почему давно обсуждаются возможности (и конструкции) многоногих шагающих машин. Для такой машины вопросы устойчивости становятся особенно важными, когда она предназначена для автономного передвижения и не несет оператора, управляющего ее походкой, каждое мгновение готового своими действиями так или иначе стабилизировать ее положение. Без оператора "уровень организации" оказывается сравнительно низким, приходится число ног увеличивать. Лишняя пара ног машины позволяет оператору избавиться от необходимости балансировать вместе с ней; позволяет заниматься вопросами управления, отойдя от нее на расстояние и не ощущая ее движений.

К настоящему времени уже разработано несколько типов многоногих шагающих машин. С вопросами их создания, принципами построения и устройства удобнее всего ознакомиться на примере шестиногой машины, получившей название "Лунный пешеход" (США).

В отличие от ноги шагающего грузовика каждая нога "Лунного пешехода" автоматически движется по наперед заданному закону, который определяется структурой и размерами специального механизма, приводящего в движение ее бедро и голень. Посредством этого механизма вращательное движение электродвигателя преобразуется в шаговые движения ноги. В корпусе машины помещаются два одинаковых устройства – приводы для четырех левых и четырех правых ног.

Кинематика шага, определяющая траекторию движения ноги, включает четыре интервала: 1) опорный, занимающий половину времени движения ноги; 2) подъема ноги; 3) переноса ноги; 4) приземления ноги. Три последних этапа, на протяжении которых нога не касается опорной поверхности, также занимают половину времени одного шага. При такой кинематике восьминогая (или шестиногая) машина в процессе движения всегда опирается на четыре (или три) ноги и сохраняет устойчивое равновесие. Таким образом, геометрия движения машины полностью определена. Будучи пущена в определенном направлении, машина будет двигаться по гладкому участку дороги, взбираться по наклонным поверхностям, перешагивать через препятствия, "делая все возможное". Конечно, в пределах, ограниченных ее размерами и мощностью привода.

Шагающий поезд

«Лунный пешеход» – машина обратимого типа.

Это означает, что она шагает не только тогда, когда работает приводной механизм, но и в том случае, когда ее толкают или тянут, как, скажем, паровоз тянет вагоны. Значит, можно себе представить две или несколько таких машин, тянущих одна другую. Проект такого поезда, состоящего из пяти "пешеходов", и был разработан.

Цель проекта состояла в том, чтобы создать транспортную систему, проходимость которой по не приспособленным для передвижения поверхностям была бы в какой-то мере соизмерима с проходимостью человека. Разрабатывалась она для армейских нужд и предназначена для транспортного обслуживания пешего взвода. Головной "пешеход" выполняет функции тягача, четыре остальных – грузовые, по одному на каждое отделение взвода. Грузоподъемность четырех "пешеходов" достигает 500 килограммов, собственный вес каждой из машин около 100 килограммов. Тягач оснащен 30-сильным двигателем внутреннего сгорания.

Движением шагающего поезда управляют с помощью длинной рукоятки, расположенной в его передней части: в зависимости от того, тянет ее оператор или толкает, тягач переключается на передний или задний ход, ею же осуществляется управление поворотом. Размеры машины и ее шагающего механизма позволяют ей свободно перешагивать через неровности и препятствия высотой до 25 сантиметров.

До сих пор мы не пытались расшифровывать, что такое «поверхность, не приспособленная для передвижения по ней». Под это понятие, в общем, подходят и густой лес, и болото, и глубокий ров. Естественно, что, когда речь идет об оценке проходимости машины, надо оперировать более конкретными, не только качественными, но и количественными оценками состояния поверхности.

Механический "пешеход" должен передвигаться вместе с пешим армейским подразделением. Это, конечно, не значит, что он должен пройти там, где проходит без посторонней помощи солдат. Такое требование тоже было бы неопределенным – солдат может обладать навыками пловца, альпиниста. Да и не имей он их, все равно попытка построить машину, по проходимости полностью сравнимую с человеком, заранее обречена на неудачу.

Технические условия на "пешехода" были составлены в соответствии с требованиями материально-технического снабжения армейского взвода. Вот некоторые из этих условий: полностью нагруженная машина должна взбираться на тридцатиградусные склоны или проходить их по диагонали; удельное давление на почву, создаваемое стопой машины, не должно превышать 0,3 кг/см ²; она должна взбираться на препятствия высотой 25 сантиметров, подходя к ним по уклону в 45 градусов, и сходить с них на уклон в 45 градусов; машина должна передвигаться по слою грязи, песка или гравия глубиной в 15 сантиметров; радиус поворота ее не должен превосходить 2 метров; она должна проходить между деревьями, растущими на расстоянии 120 сантиметров одно от другого.

Вот еще один пример, иллюстрирующий возможности применения стопоходящих машин. Речь идет о работе, выполненной Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе. Для самостоятельного передвижения больных с ампутированными или парализованными конечностями в медицинской практике используется кресло на колесах с электрическим приводом. Проходимость такого электрокресла сильно ограничена, оно может легко передвигаться лишь по гладкому полу, порог высотой 1,5–2 сантиметра представляет для него уже серьезное препятствие.

Была поставлена задача создать шагающее кресло для больного ребенка, сидя в котором он бы мог самостоятельно выйти за пределы помещения, погулять по саду и т. п. В конструкции был использован примерно такой же шагающий механизм, как в механическом "пешеходе". Восемь таких механизмов приводят в движение восемь ног. Независимые электроприводы для четырех правых и для четырех левых ног позволяют изменять движение кресла, а для управления движением достаточно иметь один рычаг. Опыт показал, что с задачей управления таким креслом больной ребенок справляется даже в случае, если он не может шевелить ни руками, ни ногами. Ему достаточно двигать головой, подбородком нажимая на рычаг управления, переводя его вперед или назад, направо или налево.

Вот некоторые из технических условий, которые были поставлены при проектировании электрокресла. Оно должно подниматься на бортик высотой 15 сантиметров, окаймляющий тротуары на улицах, и спускаться с него, ходить по песчаному берегу; ходить по неровной дороге с высотой неровностей до 10 сантиметров; устойчиво двигаться по уклонам до 15 градусов; иметь грузоподъемность не менее 30 килограммов.

Как видно, в некоторых случаях "бездорожными" оказываются дом с лестницами и порогами, улица с тротуарами и бортиками. Все, с чем так легко справляется человек, оказывается непроходимым для колеса.

Если когда-нибудь совершится то, о чем так страстно мечтают писатели-фантасты, и люди приведут на свои предприятия и в свои дома роботов, то что надо будет делать? Строить ли предприятия и дома так, чтобы они были проходимы для колесных машин, или конструировать роботы по образу и подобию человека? Представляется, что стопоходящие машины еще не сказали своего последнего слова, что полуроботы и роботы ближайшего или отдаленного будущего окажутся антропоморфными не только потому, что будут работать механическими руками, но и передвигаться будут, шагая так, как шагает человек.