КОМПОНЕНТЫ И РЕШЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ РОБОТОВ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ часть 1 (2)

АЛЕКСАНДР БАРСУКОВ
МОСКВА

  1. Способность летать
  • Ничего такого не случится. Страж-птица — машинка сложная, верно, но Массачусетский вычислитель куда сложнее. И всё-таки, у него нет разума.
  • Да, но страж-птицы умеют учиться.
  • Ну конечно. И все новые вычислительные машины тоже умеют. Так что же, по-вашему, они вступят в сговор со страж-птицами?
  • Так ведь страж-птицы сами переводят свою науку в дело.

Роберт Шекли, «Страж-птица»:

 

Как свидетельствует Максим Горький в статье «О темах», биолог Оливер Лодж в одной из своих первых книг доказывал, что мышление возникло из ощущения боли, как химическая реакция нервной клетки на толчки и удары внешнего мира. По аналогии можно сделать вывод, что оптимизация полётных качеств у представителей животного мира также происходила под влиянием сопротивления воздуха. Примером может служить саранча.

Исследования, проведённые в Институте эволюционной физиологии и биохимии имени И. М. Сеченова, показали, что полетом саранчи управляет многоуровневая нейронная система. Чтобы начать полет, саранче надо подпрыгнуть и оторваться от земли: тогда её голову начнёт обдувать встречный поток воздуха. Сразу же активируются ветрочувствительные рецепторы, расположенные на голове насекомого. Далее сигнал поступает в головной мозг, от него к нейронам крыльев и ног, контролирующих полет. В обеспечении полета участвуют также командная подсистема, генераторная, которая формирует ритм полета, а также координирующая и моторная подсистемы, обеспечивающие согласованную работу отдельных генераторов ритма и крыловых мышц. Все это — для прямолинейного полета. А различные маневры в воздухе обеспечивают специальные механизмы, в частности особые рулевые мышцы, которые отделены от мышц крыла. На рис. 1.5 – схема центральной нервной системы саранчи.

Принципы, заложенные в систему управления полетом (генераторы ритма, командная система и др.), используются и в других видах движения насекомых, например, при ходьбе. На этих же принципах основаны ритмически работающие системы и позвоночных животных, в том числе млекопитающих. Например, сходным образом контролируются «шагательные» движения кошек и собак.

В США группа исследователей из университета штата Делавэр добилась успехов в разработке робота-птицы. Работа над миниатюрным махолетом шла под руководством профессора Сунила Агравала. Самая большая трудность заключалась в том, чтобы адекватно воспроизвести в машине специфику полета птиц или насекомых, особенно тех, которые способны зависать в воздухе. Именно это свойство новой платформы для видеокамер наблюдения более всего привлекательно. Начинался проект с авиамоделей из легких реек, тонкой бумаги и резиномотора. Затем конструкторы перешли к электроприводу, питающемуся от батареи. Время полета достигло нескольких минут.

Разработчикам удалось повысить прочность и снизить вес орнитоптера с 50 до 15 г благодаря использованию графитового волокна и лавсановой пленки. Это дает возможность разместить на борту электронику и средства управления. Одновременно ведутся работы над программным обеспечением для управления «стаей» птицероботов.

Машущее крыло выполняет две основные функции: создает подъемную силу и силу тяги. Крыло птицы даже в пассивном планирующем полете ведет себя не так, как крыло планера. Под воздействием порывов ветра, в частности, за счет гибкости перьев, профиль крыла изменяется, принимая наивыгоднейшую для данного момента полета форму и даже аккумулирует энергию воздушного потока. Принцип птичьего полёта изучен еще недостаточно (например, продувки чучел птиц в аэродинамической трубе не дают достоверных результатов), но киносъемка дает возможность достаточно полно судить о некоторых режимах работы крыла птицы.

Если смотреть на горизонтально летящую чайку спереди, мы увидим картину, схематически показанную на рис. 1.6. При этом средняя часть крыла в основном создает несущую силу (аналогично самолетному крылу), а концевые части при опускании играют роль воздушного винта самолета, образуя тянущие силы. Возникает ли тяга при подъеме конца крыла, определить трудно.

Полет насекомых исследован еще меньше. Есть предположение, что их машущие крылья создают только тягу. Направление и величина тяги определяют характер и траекторию полета. Траектория движения конца крыла относительно тела напоминает по очертанию цифру восемь (рис. 1.7). Профиль крыла у насекомых очень тонкий, почти плоский. У крылатых насекомых существуют только поднимающиеся и опускающиеся мускулы, и на основании этого можно предположить, что вид траектории обусловливается аэродинамическими силами, то есть наличием тяги при опускании и подъеме крыла.

Исследователи из Технологического университета Гётеборга построили крылатого робота, который с помощью эволюционного генетического алгоритма сам себя научил летать без какой-либо заранее определенной программы, управляющей движением крыльев. Для решения этой задачи исследователи сконструировали робота, оснащенного двумя крыльями в метр длиной из легких деревянных реек, обтянутых тонкой полимерной пленкой. Электромоторы позволили вытворять с крыльями что угодно — двигать вперед-назад, махать вверх-вниз или же вращать лопасти. Робота прикрепили к двум вертикальным направляющим, вдоль которых он мог свободно перемещаться, и подвесили на эластичной резиновой ленте. Наконец, для измерения подъемной силы, которую махолету удастся развить в каждый момент времени, был установлен специальный детектор.

Компьютерная программа стала подавать крыльям робота случайные команды. Каждая инструкция либо предписывала шевельнуть крылом в одном из возможных направлений, либо взять краткую паузу, ничего не предпринимая. Обратная связь от детектора позволяла генетическому алгоритму отбирать те инструкции, которые создавали максимальную подъемную силу, после чего наиболее успешные попытки случайно «скрещивались» между собою. Затем наступала следующая итерация – случайная подача команд из «потомства» этих спариваний и т. д. Поначалу робот «пытался жульничать», разными способами имитируя отрыв от земли — то просто вставал на крылья, то опирался крылом на подвернувшийся «под руку» предмет. Однако после отбраковки ложных вариантов, что заняло около трех часов, был найден алгоритм движения (довольно нетривиального, чем-то напоминающего полет шмеля), который позволил аппарату преодолеть земное притяжение.

На рис. 1.8 — простейшая модель самолета с машущим крылом. Модель устойчиво ведет себя в воздухе, при комнатных демонстрациях можно совершить несколько запусков при одной «заводке» двигателя. Продолжительность работы резиномотора зависит от примененной резины. На данной модели стоит двигатель, собранный из 22 нитей длиной 310 мм («венгерская» резина Ø 1 мм). Хорошие результаты даёт применение стандартной авиамодельной резины, набрав такое количество нитей, чтобы полет был наиболее эффективным. Предельная дальность полета составляет около 30 м.

Фюзеляж модели изготовлен из фанеры толщиной 3 мм, крылья — из бамбуковых реек сечением 3 × 3 мм, обтянутых длинноволокнистой бумагой; остальные детали сделаны из алюминия, дюралюминия, стали — скажем прямо, не из самых легких материалов, обычно применяемых для постройки летающих моделей. Это сделано специально, чтобы показать, что эффективность птицелета не столь уж сильно зависит от материала.

Крыло напоминает завёрнутую волну: морская волна, выбрасываемая на берег, начинает заворачиваться не вся сразу, а с одной стороны. По тому же принципу работает и предлагаемый профиль крыла: выполняя функции машущего в активной фазе (с мотором) и обычного, неподвижного при планировании.

Накопитель энергии – деталь кинематики привода крыльев, сглаживающая резкие рывки при работе резиномотора.

Прежде чем заводить мотор постарайтесь добиться наилучшего планирования, изменяя угол атаки крыльев. Стабилизатор легко поддаётся настройке, но основное внимание надо уделить накопителю энергии.

Передняя кромка крыла должна быть немного отогнута назад для создания большей толкающей силы при махе вниз. Все регулировки удаётся выполнить с четырех-пяти запусков без мотора.

Немного о практическом применении птицелётов. Собранный по птицелётной схеме Robofalcon канадской корпорации Intercept Technologies, хотя и выглядит как птица, и машет как она крыльями, но единственное, что он умеет — отгонять своим видом птиц от аэродромов.

  1. Многоногость: больше ног – меньше раздумий

Прикинь: наши тараканы воевали с соседскими, победили, а теперь вернулись домой и привели множество пленных.

На рис. 1.9 — шестиногий робот-сапёр (автор – японский изобретатель Кензо Нонами), каждая из ног которого снабжена датчиком, срабатывающим на расстоянии 3 см от места, куда он должен поставить ногу. И если там мина, он метит её зарядом краски. Также для целей разминирования, только под водой, разработан робот-краб (рис. 1.10).

Воообще, в природе краб – мастер «на все ноги». Пять их пар выполняют самые разные роли: «ходильные» ноги ходят, жаберные споспешествуют дыханию, жевательные помогают жеванию, фальшивые служат самкам для переноски яиц, а у самцов играют ключевую роль при спаривании.

На рис. 1.11 изображен Spider-bot — робот, возможной задачей которого может стать исследование астероидов и комет. Прототипом для него послужили обычные земные пауки. Ученые стремились разработать принцип передвижения по сложным поверхностям, который был бы более эффективным, чем обычный колесный ход. Благодаря шести «конечностям» роботу будет легче сохранять равновесие. Первая модель машины помещается на ладони, а последующие версии могут быть еще меньше. Так же, как настоящие пауки, Spider-bot будет применять антенны, напоминающие усики, для обнаружения различных объектов, а также камеры, которые будут выполнять панорамные съемки и вести наблюдение.

А разработчики из Университета в Кейс Вестерн Резерв создали высокомобильную платформу, напоминающую таракана. Она оснащена гибридами колеса и ноги («колесоногами») для движения по неровной поверхности. То есть, варианты передвижения многоногих роботов предлагаются разные, и настало время рассмотреть более подробно хотя бы один из них.

Схема передвижения шестиного механического существа приведена в книге «Insectronics. Build Your Own Walking Robot» (автор  — Karl Williams – см. далее рис. 2.3). .

На рис. 1.12a  показана последовательность перестановки «ног» при движении вперёд или назад,

а на рис. 1.12b – последовательность перестановки «ног» при повороте вправо или влево (на обоих рисунках левая часть соответствует виду сверху, правая – виду спереди).

На рис. 1.12c – конструктивное исполнение механизма для такого рода перемещений.

Если сравнивать океан с космосом, то в земном океане аналогом марсохода являются шагающие подводные роботы. Российскими студентами был изготовлен действующий образец шагающей машины с дистанционным управлением приводами противовеса, манипулятором и углом поворота несущей рамы. Шагающая машина для освоения природных ресурсов морских шельфов представляет собой роботизированный электрогидромеханический комплекс, программно управляемый с объекта-носителя, или автономно выполняющий технологические операции по заранее составленной и введённой программе.

На рис. 1.13 – функциональная схема системы управления приводами макета этой шагающей машины. Команды управления передаются с помощью инфракрасных лучей, дешифруются и запоминаются в блоке запоминания команд. Логический блок в зависимости от поступившей команды и сигналов с датчиков вырабатывает сигналы управления приводами. Блок управления приводами выдаёт питающее напряжение на приводные двигатели. По срабатыванию концевых датчиков Д1, Д2, ограничивающих движение каретки, производится поворот шагающей машины. Величина угла поворота левого и правого концов шагающей машины хранится в виде уровня напряжения в блоке запоминания команд. Датчики угла поворота отсутствуют, поэтому поворот осуществляется строго по времени при стабильной частоте вращения приводов. Время отрабатывается стабильным одновибратором пропорционально заданному уровню напряжения. С пульта управления можно задать: пуск и останов рабочей головки (она же противовес для шагания и в ней смонтированы приводы основных движений), пуск манипулятора и задание угла поворота несущей раме.

  1. Подводное плавание
  • Папа, а почему рыба не тонет?
  • А хрен её знает…
  • Папа, а может в океане есть разумные существа?
  • А хрен их знает…
  • Папа, я не надоел тебе своими вопросами?
  • Нет-нет, ты спрашивай, сынок! Кто ж тебе еще, кроме отца-то всё объяснит?

Океан… Человек там не может ничего – ни слышать, ни видеть, ни нюхать, ни ощущать, ни, тем более, нападать и обороняться. Еще в 1958 году, на Первых Всесоюзных соревнованиях по подводному спорту выяснилось, что лишь около 5% участников соревнований справились с заданием по ориентированию под водой, имея при себе компас. Ориентирование подводников облегчают сонары – то есть, своего рода «протезы» к человеку. Океан – это биологическая пустыня (хотя там есть подводные горы высотой до 8000 м), а в пустынях выживают простейшие – но и с простейшими всё непросто.

Известно высказывание американского астронавта С. Карпентера, пробывшего месяц на 60-метровой глубине в подводной лаборатории: «подводный мир более враждебен человеку, чем космос» (рис. 1.14). Высокоразвитые органы чувств человека под водой и в других экстремальных средах мало что значат. Под водой работают совсем другие датчики – как раз такие, которые «ощущает» микроконтроллер. Он, скорее, аналог нервной системы не человека, а рыбы – хозяйки океана и инопланетянки по отношению к людям. И, возможно, на основе простейшего микроконтроллера удастся создать, допустим, почтового робота-рыбу, если изучить механизмы подводного ориентирования – например, то же обоняние.

При изучении обоняния угрей установлено, что они могут по запаху обнаружить спирт в разбавлении 6*10-20. Иными словами, достаточно в Ладожском озере развести грамм спирта, чтобы угорь мог отличить эту воду от другой. С помощью такого прибора подводная лодка могла бы «взять след», оставленный кораблём в открытом океане.

Цапля начинает рыбную ловлю с того, что приседает и шумно хлопает крыльями по воде: при этом с ее перьев смывается сальное, сильно пахнущее вещество. Поплескавшись, птица застывает на одной ноге. Привлеченные ее запахом рыбы приплывают вверх по течению, и пернатому рыболову остается только выхватывать их своим клювом.

Запах служит путеводной звездой в дальних путешествиях многим рыбам-кочевникам. Пример — лососи. Весной в горных ручьях рождаются из икринок миллиарды лососей-мальков. Спустя некоторое время они спускаются по течению, пока не достигнут моря, а затем начинают кочевать в его глубинах, проплывая тысячи километров. Через несколько лет (от 2 до 7) взрослые лососи безошибочно возвращаются в те ручьи, где прошло их детство, и там мечут икру. Опыты гидробиолога Артура Хаслера показали, что возвращение лососей в родные реки связано с процессом обоняния. Выяснилось, что лосось и другие рыбы-кочевники, пускаясь в свои дальние странствия, составляют «запахограмму» маршрута.

На рис. 1.15  –  робот-рыба, одно из ведущих направлений подводного роботостроения. В прессе сообщали, что на проект по созданию робота, внешне похожего на золотого карпа длиной 1 м, способного выплывать из тупиков, отпущен 1 миллион долларов. То есть, $1 млн. можно в какой-то мере приравнять к тысячелетиям эволюции, создавшей показанный на рис. 1.16 боковой нерв рыбы. У многих рыб развиты органы боковой линии, расположенные в коже. Боковой линией называют органы чувств, расположенные на боках тела и голове у круглоротых, рыб, личинок и некоторых взрослых земноводных. Эти органы воспринимают направление и скорость движения воды, служат для ориентации. Для человека «направление и скорость движения воды» – сложнейшая навигационная задача из области высшей математики. Он даже на большой глубине подвержен колебаниям воды: его всё время неизвестно куда сносит, Человек не в состоянии учесть все постоянные течения, ветровые течения, бароградиентные течения. Рыба со своими «простейшими» датчиками с этим как-то справляется.

У рыбы гидростатический орган — плавательный пузырь. Если сравнивать рыбу с глубоководным батискафом, в его конструкции, чтобы обеспечить плавучесть и одновременно не дать ему быть раздавленным, наполняли поплавок малосжимаемой жидкостью с удельным весом меньшим, чем у воды – например, бензином (для сравнения: тело медузы на 98% состоит из воды – нет газа и сжиматься нечему, поэтому давление не страшно), а позднее стали использовать твёрдые и лёгкие связующие синтетические смолы.

  1. Роботы-звери: очередная игра или новая порода опасных хищников?

В конторе общества охраны животных раздается телефонный звонок. «Приезжайте немедленно, —  взволнованно говорит чей-то голос. — В нашем саду на дереве сидит почтальон и дразнит моего дога!»

Когда у животных достаточно пищи, они перестают есть друг друга. Они начинают друг друга убивать – то есть, поднимаются на ступеньку эволюции ближе к людям. Война – это закон природы: волки и овцы, казаки-разбойники, опасность-безопасность (рис. 1.17). Все новейшие разработки в области робототехники немедленно осваиваются военными (в США, во всяком случае) — в полном соответствии с законом, сформулированным писателем Куртом Воннегутом: «Над чем бы ученый ни работал, у него в итоге обязательно получается оружие». Перефразируя, можно сказать, что боевые роботы — конечная цель усилий всех роботостроительных фирм (и симптом этого — насыщенность подобными персонажами современной западной кинофантастики). Киберсолдаты не пишут книг, не снимают фильмов, у них одна жизненная установка: «убить, но не быть убитым» – то есть, как и у живого боевого робота, каковым является обычный бультерьер.

Война – это энергетика, а с точки зрения энергетических соотношений наиболее оптимальными конструкциями являются «звероиды», озабоченные поисками добычи и более ничем. Учеными из Шеффилдского университета созданы самообучающиеся колесные роботы на солнечных батареях, перемещающиеся в поисках освещенных участков, где можно подзарядиться. На них охотятся роботы, не имеющие собственных энергоресурсов, отбирая накопленную энергию. При помощи ИК-датчиков роботы ориентируются в пространстве и отличают «своих» от «чужих»: у хищников и у добычи разные частоты излучения. Робот-добыча бежит от хищника, но сидит в луче света рядом со своим аналогом. Роботы полностью автономны. Мозг являет собой нейросеть, получающую  информацию от датчиков и управляющую приводами. Сеть совершенствуется, накапливая полученный опыт. Если робот выживает в течение определенного времени, данные его нейросети центральный компьютер использует при генерации следующих машин. Так происходит эволюция хищников и жертв: роботы сами вырабатывают новые тактики  бегства и нападения.

Забавные киберсобачки уже настолько совершенны, что приходится задумываться: ведь только от доброй воли конструкторов зависит – придать им теперешний невинный вид, либо превратить в злобных чудовищ (рис. 1.18). А что? Пластика движений уже вполне собачья. Остаётся добавить мощь моторов на ногах, убрать игровые функции, вставить клыки. Будут ли бойцовых киберсобак покупать, например, в России? А вспомним: Госдума РФ приняла закон «О внесении изменений в статью 37 Уголовного Кодекса Российской Федерации», согласно которому гражданин вправе применять любые меры, вплоть до убийства нападающего, если существует непосредственная угроза его жизни. Однако, известная субъективность трактовки понятия «непосредственная угроза жизни», плюс ограничения на владение оружием оставляют гражданина слишком беззащитным. Но вообразим: гражданин приобрёл кибермастифа. А у того произошел сбой в программе (якобы) и киберпёс по ошибке (как бы) разорвал напавшего на мирный дачный участок хулигана. Кто докажет, что это её владелец так запрограммировал (особенно если программа после инцидента самоуничтожилась), и виноват он, а не, условно говоря, Билл Гейтс, допустивший ошибки в операционной системе, служащей основой самоуправления робота-убийцы? Правовая коллизия, последствия которой непредсказуемы. Например, давний геополитический соперник России – Япония сможет, воспользовавшись этой коллизией, обойти ограничения по созданию Вооруженных Сил, наложенные на неё по итогам II Мировой войны, создав армаду роботов «двойного назначения» (особенно, диверсионных подводных).

Роботы в виде животных популярны у разработчиков – причем, не только из дальнего зарубежья. Еще в 2002 г. было представлено в Москве семейство доисторических персонажей, сконструированных для создания аниматроных сцен на объектах массового отдыха. На тот момент чудовища могли выполнять следующие механические движения: поднимать/опускать голову и хвост, двигать хвостом вправо и влево, открывать/закрывать пасть. С тех пор возможности опорно-двигательной механики в мировом масштабе очень выросли, и уже не такой невероятной представляется прогулка с динозавриком, который не даст в обиду своего хозяина. Но даже и в статичном исполнении зверьки подозрительно рациональны: во втором выпуске нашего справочника было изображение доисторического «птенчика», зубы у которого как раз на уровне человеческой головы и достаточно ему, опустив голову сжать челюсти… А бивень на голове у «хомячка», что на рис. 1.19 тоже странным образом находится на уровне человеческого живота и достаточно ему резко поднять симпатичную мордочку… Но с точки зрения энергетического баланса охранять дачный участок лучше поручить не электронному монстру, а стремительному киберкузнечику, который может резко допрыгнуть и ужалить.

В сказанном очень мало фантастики. Если мы присмотримся к современным боевым электронным системам, увидим, что человек во многом там копирует свойства животных. Достигнув определённых успехов в дрессуре животных в целях военного применения, люди всё же не смогли преодолеть природные ограничения, и вынуждены отдать приоритет созданию роботизированных боевых систем  — таких, как самонаводящиеся крылатые ракеты, которые, однако, хуже справляются с задачами точечного поражения малых целей, чем могли бы некоторые представители животного мира. Но это сегодня, а завтра, учитывая то, что было вчера?

В 1944 году в США был успешно испытан проект боевого применения летучих мышей. Их вводили в состояние спячки, держа в холодном помещении, и ниткой прикрепляли резервуар с напалмом и часовым механизмом. Затем десантировали с самолётов на землю. Там мыши отогревались, просыпались, инстинктивно прятались в зданиях и сооружениях, где перегрызали мешающую им нитку. В итоге количество возгораний от такого боекомплекта на порядок превышало эффективность обычной бомбардировки того времени.

Что может быть завтра мы как раз и исследуем здесь на примере создаваемых сегодня киберсистем. При этом, конечно, учитывая миролюбивое название нашего справочника, мы рассчитываем, что человечество, прочтя данную главу, образумится и направит военные разработки на мирные цели – сельское хозяйство, освоение мирового океана. Пусть, например, военный робот-разведчик не строит козни ящерицам в песках Месопотамии, а собирает клубнику на плантациях Подмосковья и ищет грибы в лесу под Тамбовом. 

  1. Киберпёс – это не друг человека, но враг его врагов
  • От чего твоя собака умерла?
  • Да от голода.
  • Как это?
  • Да съел я ее…

Собака… Это якобы домашнее животное слишком часто служит прототипом для боевых систем. На рис. 1.20a — семейство наземных роботов TALON. Уже выпущено несколько сотен таких аппаратов в рамках программы создания робототехнической платформы, носимой человеком. Эти устройства, массой от 27 до 45 кг, применяются в задачах обезвреживания мин и бомб, разведки, обеспечения связи; имеются модели, оборудованные пулемётом М-249 и снайперской винтовкой Barrett. Все они способны перемещаться на местности с очень сложным рельефом в любую погоду. 250 таких роботов уже выполнили в Ираке и Афганистане около 50 тыс. миссий. Но в контексте данной главы интереснее другое: как по весу, так и по размерам, семейство этих роботов очень напоминает собак разных пород, сопровождающих хозяина и охраняющих его (рис. 1.20b).

Кстати…

Киберсобачка «Робик» (рис. 1.21), с которой вы уже познакомились в первом выпуске справочника и которой мы тогда пожелали успехов в дальнейшем самосовершенствовании, действительно стала совершеннее: когда она демонстрировалась на очередной выставке, то располагала уже поворачивающимися передними «колёсоногами» и более богатой палитрой произносимых звуков. На вид она, конечно, добрая и забавная, однако, если жизнь вокруг нас продолжит ужесточаться, то не превратится ли она в вышеописанного Механического Пса?

Добавить комментарий