Ода пешему ходу

И. Артоболевский и А. Кобринский, основываясь на плодотворной аналогии между роботом и человеком, условно разделили совершаемые ими производственные движения на три типа: локальные, региональные и глобальные. Локальные движения - это все то многообразие манипуляций, которое мы совершаем посредством кистей рук: взять, положить, перевернуть, вставить, вынуть. Региональные движения совершаются с использованием механических возможностей всей руки: перенос детали с одного места в другое при неподвижном основании робота. Наконец, глобальные движения - это перемещение самого робота.

Специфику локальных и региональных движений мы интенсивно обсуждали выше, в то время как глобальные перемещения робота остались в тени. Это и понятно, глобальные движения - прерогатива транспортных систем: автомобилей, электрокаров, вездеходов и луноходов. Здесь используется весь инструментарий многовековой истории транспорта: колесо, рельс, монорельс, гусеница и т. п. Однако существуют и специфические, только роботу присущие средства передвижения. Это ближайшие родственники манипуляторов - педипуляторы, или, попросту говоря, ноги (manus по-гречески - рука, pedis - нога). Ну уж это ненужная экзотика, скажет читатель, неужели им мало колеса, не слишком ли далеко заходят эти роботехники в своем ненасытном желании внедрить природные патенты? Разумеется, читатель вправе так рассуждать.

Имея перед глазами многовековую историю колесных транспортных средств от телеги до современного лунохода, мы склонны считать шаговый принцип передвижения более примитивным и недостойным нашего технического века. С первого взгляда нам кажется, что колесо, несомненно, эффективнее ног. К примеру говоря, человек на велосипеде тратит лишь половину энергии пешехода. Почему же тогда природа избегает колес? Почему колесо - эффективное средство передвижения, изобретенное человеком, - никогда не использовалось природой в процессе эволюции животного мира? Почему, скажем, нет крыс на колесах или рыб, использующих гребной винт? Ответ, возможно, состоит в том, что они имеют нечто лучшее...

Рыбы перемещаются в воде с помощью движений хвоста, при этом КПД оказывается равным 95 процентам, в то время как гребной винт обеспечивает максимум 60 процентов. Загадка скорее состоит в том, почему технические специалисты не обращают внимания на способ передвижения рыб.

Но ведь колеса точно эффективней ног. Однако и здесь разгадка может крыться в том, что колеса хороши лишь на гладкой и твердой поверхности. А в природе она встречается редко. Поэтому естественный отбор не благоприятствовал появлению животных на колесах в процессе эволюции. Известно, что колеса беспомощны на мягкой почве - вспомним автомобиль, засевший в грязи, - не приспособлены для перемещений по вертикали, стесняют повороты на ограниченной площади. Такие соображения кажутся более убедительными, чем теория о плохой сочетаемости кровеносных сосудов и нервов с вращающимися соединениями или гипотеза о том, что эволюция просто случайно не "наткнулась" на принцип колеса.

А как же вездеход? Он ходит "везде" без всякой дороги? Ну, во-первых, не везде, а во-вторых, его колесо покоится на жесткой мостовой - гусенице, которую вездеход сначала прокладывает "перед собой", а затем сам по ней передвигается. Шагоход же эффективно перемещается по любой поверхности. Он может легко менять походку: подниматься на "цыпочки", чтобы не зацепить днищем за стоящий поперек дороги станок, присесть, чтобы пролезть под низко расположенный трубопровод, повернуться, переступая ногами почти на пятачке. Всюду здесь ноги удобней, чем колеса, поскольку современное промышленное предприятие порой так же "непроходимо", как "коварные джунгли Амазонки".

Прежде всего у конструкторов возник вопрос: каково оптимальное количество ног? Почему у сороконожки сорок ног, у жука - шесть, у животного - четыре, а у человека - две? Много ног - это высокая устойчивость машины, но и необычайно сложная задача координации их движения. Не стоит ли в прямой зависимости от количества ног развитие двигательного мозгового центра? В природе сороконожка не задумывается над своей походкой. Однако инженер, конструирующий сороканожной механизм, обязан растолковать машине все тонкости ее перемещений, и если в известной притче сороконожка, пытающаяся понять, как же она ходит, немедленно запутывалась, то конструктор шагохода работает "без права на ошибку", исключая многосложные варианты конструкции, стараясь найти минимальную конфигурацию.

Были определены требования к шагающему механизму и решены важнейшие динамические задачи, связанные с этой проблемой

Специалисты пришли к заключению, что для надежной устойчивости движения машине достаточно шести ног, так как три точки опоры в состоянии покоя - самое устойчивое положение. Не случайно штатив фотоаппарата или теодолита - это популярный треножник.

История создания ноги робота начинается с середины XIX века. Русский математик П. Чебышев стал родоначальником целого направления в конструировании шагоходов. Он сконструировал знаменитую "стопоходящую машину", представляющую собой комбинацию четырех лямбдаобразных механизмов в виде греческой буквы λ. Пока башмак ноги опирается на грунт, корпус машины горизонтально перемещается вперед. Оторвавшись от земли, башмак описывает в воздухе кривую, напоминающую траекторию стопы пешехода. Последователи П. Чебышева работают в направлении, при котором "лапы" машины копируют движение ног человека или животного - так называемый "траекторный синтез" походки.

И. Артоболевский работал также и над проблемой шагающих механизмов. В докладе, подготовленном им с соавторами и прочитанном на четвертом совещании по проблемам теории механизмов и машин в Ленинграде, были определены требования к шагающему механизму и решены важнейшие динамические задачи, связанные с этой проблемой. Одними из первых в нашей стране шагающую машину создали специалисты Ленинградского института приборостроения. Ее шесть ног усеяны датчиками, так что в электронный мозг машины непрерывно поступают данные и о положении ног в пространстве, и о поверхности, на которую они ступают.

Примерно по тому же принципу работает и шагающий агрегат, созданный совместными усилиями специалистов Института механики МГУ и Института проблем передачи информации АН СССР. В Институте машиноведения создан прообраз машины, объединяющий в себе достоинства многих предыдущих конструкций.

В фильме "Человек и робот" мы видели знаменитую "шестиножку", над которой работал коллектив ученых Института проблем управления - целое содружество математиков, медиков и механиков. "Шестиножка" ходит, преодолевая препятствия из коробок и кубиков, выбирая при этом наиболее удобный маршрут. У нее есть органы зрения и осязания, есть электронный мозг, расположенный, правда, на расстоянии. Машина соединена с ним электрическим кабелем (ведь для этих "простых" шагов нужна целая современная ЭВМ). Однако шесть ног порождают все еще большое число вариантов походок. Переставляя поочередно по одной ноге и варьируя при этом очередность, мы имеем возможность выбрать один из 120 вариантов походок. Перемещая по две ноги, имеем еще девять вариантов. Наконец, можно переставлять по три ноги сразу: две левых - одну правую, две правых - одну левую.

Шестиногий "жук" может идти и быстро и медленно, находясь все время в устойчивом положении. Для четвероногих машин проблема поддержания устойчивости становится уже более актуальной, хотя здесь у нас перед глазами все еще есть природный прообраз.

Четырехногий "конь" американского инженера М. "Пистона, снабженный манипулятором, может оказаться полезным в металлургическом производстве, например для транспортировки массивных и горячих заготовок из цехов термической обработки на участки ковки или штамповки. Первый весьма маневренный вариант такого агрегата обладает грузоподъемностью 300 килограммов. Хотя в нем предусмотрено место для оператора, оно используется лишь при обучении робота. В движение ноги этого робота приводятся электрическими сервомоторами. Логика перемещения ног фиксируется и воспроизводится с помощью современной мини-ЭВМ.

Национальное управление по космическим исследованиям США ведет активные разработки транспортных восьминогих и шестиногих машин для разведки лунной поверхности. В этих вариантах функции распределяются так: четыре или три ноги служат для сохранения равновесия, а остальные четыре или три - для передвижения. Внешне эти машины напоминают два соединенных между собой стоящих чемодана. Каждый чемодан скрывает в себе двигатель и шарнирные механизмы четырех ног, одна пара ног шагает коленями вперед, а другая пара - коленями назад в полном соответствии с кинематикой животного.

В Японии доктор А. Мори с сотрудниками в Токийском технологическом институте занимается созданием опытной шестиногой машины.

Из четырехногих машин известны следующие: транспортная машина, созданная фирмой "Дженерал электрик", и конструкция Маг Ги, имитирующая движение лошади.

Из двуногих машин известна транспортная модель фирмы "Дженерал электрик", а доктор Като из университета Васэда в Японии успешно занимается созданием шагающего на двух ногах устройства, имитирующего походку человека. В этом антропоморфном шагоходе используются специально разработанные искусственные мускулы. Они представляют собой гибкие резиновые шланги, соединенные в небольшие грозди по три секции. В обычном, расслабленном состоянии мышцы пассивно провисают. Для того чтобы привести мышцу в напряжение, в нее подается с помощью тонкого шланга сжатый воздух, и три секции мышцы раздуваются в круглые шарики, в результате чего мышца укорачивается, и соответствующая ей часть скелета ноги поднимается и передвигается.

На сегодняшний день во всех странах мира созданы самые разнообразные шагающие механизмы. Но все они "ходят" совсем не так, как мы. Человек при ходьбе или беге находится в неустойчивом состоянии - если прервать движение, он упадет. Все созданные же до сих пор шагающие механизмы, напротив, постоянно пребывают в состоянии не только динамического, но и статического равновесия, и это сильно ограничивает их подвижность. Чтобы двуногий робот стал полноценным "ходоком", нужно научить его преодолевать неустойчивость.

Над этой проблемой работает группа ученых из Массачусетского технологического института. Они разработали автономную прыгающую кибернетическую ногу, оснащенную микрокомпьютером и источником питания. Единственный ее "сустав" - колено, "ступней" служит поперечина, не позволяющая ноге падать набок. Полутораметровая конечность способна стоять, выпрямляться, падать вперед и вновь подниматься. Цель ученых - заставить ее перемещаться прыжками в произвольном направлении. В настоящее время робот-одноножка проходит процесс обучения. Его компьютер программирует себя сам, вырабатывая методом проб и ошибок оптимальный способ прыгания. Ошибаясь и "запоминая" свои ошибки, нога по мере приобретения опыта перемещается все более уверенно. "Иногда ее усилия просто трогательны", - заявил помощник руководителя группы. В исходном положении она лежит на полу. Затем поднимается, медленно падает вперед и достигает позиции готовности к прыжку. Затем подпрыгивает, оттолкнувшись "ступней". После приземления нога попадает в неустойчивое состояние, ее увлекает инерция, и она опять падает вперед. Теперь одноножка готова к новому прыжку.

"Мы бы хотели создать в будущем робота, обладающего силой бульдозера, грацией балерины и ловкостью кошки", - говорят авторы проекта. Возможно, где-то в XXI веке в одной из сказок можно будет прочесть примерно следующее: "Стоит в цеху коттеджик на птичьих педипуляторах, а в коттеджике живет Баба Яга - с микрокомпьютером нога".