Advanced Step in Inovative Mobility

Большой шаг для человечества

Глядя, как ходит робот ASIMO, трудно поверить, что это реальность, а не очередной эпизод «Звездных войн».

В 2004 году ASIMO получил почетное место в «Зале славы роботов» как первый настоящий человекоподобный робот. «Зал славы роботов» был создан университетом Карнеги-Меллона для того, чтобы отмечать выдающиеся достижения робототехники

На Московском международном автосалоне мы познакомились с человеком, у которого есть водительские права исключительно редкой категории – на управление самым продвинутым на сегодняшний день человекоподобным роботом ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility), разработанным компанией Honda. Чтобы получить права, опытный инженер Серж Делю в течение трех недель по 10 часов в сутки вникал в тонкости управления механическим гуманоидом, а затем выдержал сложнейший экзамен под строгим надзором разработчиков робота. После впечатляющего шоу, которое ASIMO показал благодарным зрителям под контролем Сержа Делю и еще трех операторов, Серж рассказал нам, как устроен замечательный робот и почему инженерам Honda понадобилось целых 15 лет, чтобы научить машину ходить.

Искусство ходить

На первый взгляд создать двуногого робота, способного передвигаться по-человечески, не так сложно: достаточно просто записать движения человека и заставить машину их повторить. На самом деле процесс передвижения человека намного сложнее, чем мы привыкли его представлять. В ходьбе участвуют не только ноги, но и руки, плечи, спина, шея и даже голова, которые двигаются синхронно и помогают удерживать равновесие. Состояние поверхности и свое положение в пространстве человек непрерывно отслеживает с помощью многочисленных органов чувств: отолиты и полукружные каналы внутреннего уха (вестибулярный аппарат) отвечают за линейные и угловые ускорения; ощущение напряжения в мышцах сообщает человеку о текущем положении конечностей и скорости их перемещения (считается, что в мозгу человека есть так называемая модель тела); тонкие осязательные ощущения в ступнях создают представление о характере поверхности под ногами.

Длина и направление шагов изменяются при разгоне, торможении, повороте. Человек на бессознательном уровне планирует свои движения на несколько шагов вперед. В то же время, если что-то пойдет не так (споткнулся, поставил ногу на наклонную поверхность), длина шага и положение корпуса будут мгновенно скорректированы, чтобы не дать ему упасть. Таким образом, ходьба представляет собой сложное сочетание планирования и непрерывного контроля ситуации, а каждый шаг человека уникален.

Сложные процессы, протекающие у нас в голове во время ходьбы, незаметны нам, они происходят на инстинктивном уровне. Поэтому изучение алгоритмов передвижения человека оказалось непростой задачей.

Стойкий оловянный солдатик

Главным прототипом при разработке ASIMO послужил скелет человека. Высокоточные сервомоторы обеспечивают роботу движение по 26 степеням свободы: две из них отведены на движения головы, по шесть на каждую руку и ногу. Ноги ASIMO движутся так же свободно, как и у человека: во время шоу робот даже станцевал рок-н-ролл. Сервомоторы вращаются на строго определенные углы с определенной скоростью, благодаря чему движения робота могут быть как резкими, так и удивительно плавными. Три кита стабильности ASIMO – это контроль поверхности, контроль центра масс и контроль положения. Первый обеспечивается датчиками силы, вмонтированными в ступни робота. Они помогают ощутить уклон поверхности или непредвиденно возникшее на пути препятствие и скорректировать положение ступни. Робот может ходить по плоскостям с уклоном до 30⁰ и со сложным рельефом. За контроль центра масс отвечают датчики ускорения и гироскоп.

К примеру, если робот почувствует, что его корпус наклоняется вперед быстрее, чем планировалось, он сделает следующий шаг шире и предотвратит падение. «ASIMO можно неожиданно толкнуть, он выставит ногу и поймает равновесие и останется на ногах, – говорит Серж Делю, – но зрителям мы, конечно, об этом не рассказываем».

Каждый мотор имеет датчик обратной связи, который сообщает ASIMO, на какой угол повернут тот или иной сустав. В электронном мозгу робота воссоздана его точная трехмерная модель – это и есть контроль положения. Точный исполнительный механизм позволяет ASIMO подниматься и спускаться по лестнице. Пока что для того, чтобы робот передвигался по лестнице, оператор должен сообщать ему длину пролета и количество ступенек. В настоящий момент разработчики обучают ASIMO распознавать лестницу с помощью глаз-видеокамер, считать ступеньки и определять их высоту самостоятельно.

Главная особенность, отличающая ASIMO от остальных двуногих роботов, – способность менять направление движения, не сбавляя ход. Чтобы повернуть за угол, предшественникам ASIMO требовалось останавливаться, неестественным для человека способом вращаться на месте, после чего начинать движение в новом направлении. ASIMO поворачивает точно так же, как человек: слегка наклоняется в сторону поворота и делает следующий шаг в новом направлении.

Скорость движения ASIMO достигает 1,6 км/ч. При хорошей видимости робот заранее планирует свой маршрут с разгонами, замедлениями и поворотами, но в случае возникновения неожиданного препятствия готов остановиться или сменить траекторию.

Способность ходить по-человечески не предел возможностей робота. ASIMO последней модели может бегать со скоростью 6 км/ч, отрывая от земли обе ноги одновременно, и даже выполнять на бегу «змейку».

Мой друг андроид

Конечно, хождение на двух ногах не единственный способ передвигаться по уклонам и лестницам. Современные роботы-саперы легко преодолевают любые препятствия на гусеницах, а внедорожные качества четвероногого BigDog от компании Boston Dynamics многократно превосходят ASIMO. Почему же японцы потратили 15 лет работы на создание андроида? По задумке Honda ASIMO создан для того, чтобы жить среди людей и помогать им. Согласитесь, гусеничный трактор или механический паук, разгуливающий по зданию с поручениями, воспринимался бы людьми как нечто чужеродное и даже опасное. ASIMO же понятен, предсказуем и чрезвычайно дружелюбен.

Рост ASIMO (122 см) подбирался таким образом, чтобы андроид не выглядел угрожающим, но мог выполнять всевозможные функции. Голова робота находится на уровне глаз взрослого человека, сидящего в рабочем кресле. Максимально опустив руку, ASIMO может взять газету или чашку кофе с низкого журнального столика, а подняв, может дотянуться до выключателя освещения.

Предшественники ASIMO имели рост взрослого человека и выше. Сделать небольшого робота оказалось весьма сложной задачей, так как необходимо было сохранить пропорции роста и веса андроида. ASIMO весит менее 52 кг благодаря применению самых легких и прочных материалов. Самая тяжелая деталь робота – никель-металлогидридная батарея питания – весит всего 7,7 кг. Полностью заряженный аккумулятор обеспечивает 30 минут непрерывной работы. Интересно, что лишь 30% энергии расходуется сервоприводами, остальные 70% потребляет электронный мозг ASIMO, расположенный в ранце за спиной. Последние версии ASIMO оснащаются современными литий-ионными батареями.

ASIMO – исключительно общительный робот. «Если ASIMO видел вас хотя бы однажды, в следующий раз он узнает вас и поприветствует, – говорит Серж Делю. – С помощью двух видеокамер, встроенных в голову робота, он видит объемное изображение, умеет определять расстояние до объектов, распознавать жесты людей». ASIMO узнает своих друзей по голосу. С роботом можно поболтать или попросить его о помощи: он понимает несколько десятков простых вопросов и команд на английском и японском языках.

Служу человеку!

В настоящее время ASIMO чаще всего можно встретить на выставочных шоу. В сложных условиях выставки значительную часть коммуникативных и двигательных способностей робота приходится отключать. Практически все элементы шоу тщательно запрограммированы и запускаются оператором. Оператор должен быть скрыт от зрителей, поэтому сцену ему приходится наблюдать на видеомониторе.

Робот управляется с компьютера с помощью сложной программы. Помимо запуска элементов программы в обязанности оператора входит непрерывный контроль за многочисленными параметрами работы робота – показаниями сенсоров, положением сервоприводов, напряжениями в электрических цепях, рабочими температурами элементов и многими другими. Расслабиться нельзя ни на секунду. На случай технических неполадок за сценой всегда припрятан робот-дублер. Существует и оперативный способ управления ASIMO – с помощью пульта дистанционного управления, напоминающего джойпад от PlayStation. Он используется редко, так как, во-первых, требует абсолютной видимости, которая порой недоступна, а во-вторых, ограничивает возможности робота, превращая его в простую радиоуправляемую игрушку.

В исследовательской студии компании Honda созданы все условия, чтобы ASIMO мог полноценно передвигаться и общаться с людьми, буквально жить полной жизнью. ASIMO постоянно учится новым навыкам.

В будущем он сможет выполнять поручения в офисах, помогать по хозяйству престарелым и инвалидам, тушить пожары, работать с вредными химическими веществами в среде, непригодной для жизни человека. «ASIMO однажды сможет стать глазами, ушами, руками и ногами для всех тех, кто в этом нуждается», – считают в компании Honda.

Признаться, при первом знакомстве с ASIMO мы были уверены, что робот назван в честь Айзека Азимова. Знаменитый фантаст первым сформулировал законы робототехники, согласно которым роботы должны служить и помогать людям, а не бунтовать, воевать и сражаться за независимость. И ASIMO в большей мере, чем любой другой робот, соответствует азимовским принципам. Однако, как поведал нам Серж Делю, в Японии Азимова не знают. Просто asi в переводе с японского означает «нога».

И все же метко назвали робота японцы. Наверное, это судьба.