Главные тенденции робототехники-2011

29.12.2011

Главные тенденции робототехники-2011
Они среди нас

Основной задачей роботов была и остаётся помощь человеку. Однако отдельные устройства, появившиеся в уходящем году, не желают быть пассивными подручными, а претендуют на конкуренцию с нами. Такие разработки можно разделить на две группы. К первой относятся машины для выполнения практических задач, ко второй — искусственные создания, демонстрирующие возможности соперничества с человеком в различных сферах деятельности.

Пожалуй, главным событием года можно назвать отправку первого в мире андроида-космонавта на МКС. Robonaut 2, построенный специалистами НАСА и General Motors, станет полноценным членом экипажа станции — по крайней мере в том, что касается помощи в научных изысканиях.
Космический центр им. Линдона Джонсона при поддержке Управления перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) начал работу над проектом Robonaut в 1997 году. Позже к ней подключились инженеры General Motors. Продолжительные исследования и испытания привели к появлению в прошлом феврале модели Robonaut 2.
Устройство не имеет ног, но его торс, голова и руки очень похожи на человеческие — как внешне, так и размерами. В голове, которая способна вращаться в любом направлении, помещаются четыре видеокамеры (две рабочие и две вспомогательные), а также инфракрасная камера. 
Руки длиной 0,8 м каждая имеют 7 степеней свободы, а кисти — 12. В их конструкции реализован уникальный механизм контроля силы сжатия, действующий через суставы, а не искусственные сухожилия, как в других роботах. Механическая ладонь регулируется напрямую, без дополнительных «посредников» — а значит, без задержки. 
Robonaut 2 питается от батарей, расположенных в его рюкзачке, однако их количество и мощность не уточняются. Управлять полуавтономным андроидом можно как с самой МКС, так и с Земли. Он оборудован 38 процессорами и более чем 350 датчиками. Общий вес робота-астронавта составляет 150 кг. 
Для того чтобы подготовить Robonaut 2 к пребыванию на станции, его корпус из алюминия, стали и пластика покрыли негорючей «кожей». Кроме того, внешняя оболочка минимизирует электромагнитное излучение.
General-Motors-and-NASA-Engineers-Finalize-the-Robonaut-2-for-Autumn-Mission-2.png

Впрочем, чтобы заниматься исследовательской деятельностью, роботам не обязательно быть человекоподобными. Участники океанографических экспедиций могут со временем остаться за бортом — из-за похожих на доски для сёрфинга устройств Wave Glider. Они способны днями и месяцами бороздить Мировой океан, добывая сведения не только о подводной его части (как почти все аппараты-аналоги), но и о надводном пространстве.

liquid robotics wave glider on boat-1321671827307.jpg

Устройства, разработанные стартапом Liquid Robotics, отличаются от своих предшественников гражданского и военного назначения, которые изучают океаническую среду, фауну и флору из-под воды. Wave Glider («Скользящий по волнам») движется по водной глади за счёт изменения плавучести отдельных частей своего корпуса, которое приводит к тому, что волны толкают его в нужном направлении. Управление производится удалённым оператором через спутниковую связь.
Поскольку верхняя часть этого похожего на доску для сёрфинга аппарата находится над водой, на неё установили солнечные батареи. Энергия светила используется для питания навигационного, исследовательского и другого оборудования, установленного на борту устройства и его подводном элементе, который крепится к днищу с помощью троса. 
В отличие от беспилотных мини-субмарин, Wave Glider способен собирать информацию о состоянии атмосферы, волнах и поверхностных течениях. Но ему подвластен и подводный сбор сведений. За программную поддержку датчиков, навигационных приборов и телекоммуникационных систем, а также «облачного» сервиса для хранения данных отвечал создатель Java Джеймс Гослинг, который ради работы в Liquid Robotics уволился из Google.

В США роботов довольно успешно приспосабливают к фермерству: местным владельцам сельхозугодий, видимо, останется лишь сидеть на веранде и играть на банджо, периодически подзаряжая аккумуляторы механических батраков. 

swarm-bot-farm-825x555.jpg

Веками сельское хозяйство бьётся над тем, чтобы добиться максимальной урожайности. Началось всё с примитивных орудий труда, а закончилось (закончилось ли?) механизацией и применением химических удобрений. От химикатов постепенно отказываются по экологическим соображениям, а дальнейшая модернизация сельхозмашин упирается в возможности и ограничения тех, кто ими управляет. Так что, наверное, единственным способом повысить эффективность становится постепенный отказ от человеческого труда.
И здесь есть два направления — создание «беспилотной» сельхозтехники на основе существующей и замена тракторов и комбайнов роботами. Последним как раз и занимается энтомолог по образованию и роботостроитель по призванию Дэвид Дорхаут из Эймса, что в штате Айова. Он намерен сконструировать устройство, которое сможет самостоятельно сажать растения, ухаживать за ними и собирать урожай. 
Пока что ему удалось создать систему из десятка похожих на пауков шестиногих механизмов Prospero, которые обучены оптимально засевать пашню. Места посадок определяются не через GPS-навигацию, а с помощью метода, который г-н Дорхаут позаимствовал у муравьёв. При нахождении еды насекомые выделяют особый феромон, чтобы обозначить пройденный путь. Учуяв его, их товарищи не идут следом. 
Роботы же распыляют в точке посадки немного красящего спрея, который изменяет отражающие свойства почвы. Другое устройство регистрирует это своими сенсорами и выбирает новую позицию. Чтобы искусственные сеятели не толпились и не сталкивались, они поддерживают коммуникацию через беспроводную связь. В результате достигается эффективное засевание нужной площади. 
Идеей г-на Дорхаута уже заинтересовались бразильские, японские и польские фермеры. Разработчик же справедливо полагает, что, прежде чем говорить о коммерческом использовании технологии, необходимо сделать Prospero более функциональными, продлить время их действия без подзарядки и, видимо, увеличить их размеры.


 А в Южной Корее роботов уже со следующего года сделают тюремными надзирателями, чья неусыпная бдительность и неподкупность наверняка заслужат похвалу начальства.

Роботы-надзиратели имеют традиционный для андроидов облик: корпус, голова и четырёхколёсная база. Их высота составляет 150 см, а вес — 70 кг. Рук нет за ненадобностью: в обязанности устройствам вменяется посредничество при переговорах между заключёнными и охранниками, а также наблюдение за поведенческими аномалиями осуждённых, такими как проявления жестокости и насилия или попытки суицида. А для этого достаточно видеокамеры и сенсоров.
Проект стоимостью 1 млрд вон ($863 тыс.) ведёт исследовательская группа Asian Forum for Corrections. Его руководитель и глава группы профессор Университета Кёнги Ли Пак-Чхуль говорит, что роботы освободят персонал тюрем от проверочной рутины, особенно в ночное время. 
Сейчас учёные заняты улучшением облика машин, чтобы они не выглядели устрашающе, поскольку их миссия не в контроле и наказании, а в том, чтобы помочь людям за решёткой приспособиться к их временному (а для кого-то и постоянному) месту обитания. 
По данным южнокорейского Минюста, первая троица искусственных охранников начнёт разъезжать по коридорам тюрьмы в городе Пхохан с марта 2012 года.

prisonbots.jpg

Если отойти от прагматичности, знаковым мероприятием для робомира стал первый марафон, который пока не вышел за пределы Японии. Но организаторы надеются, что он будет такой же неотъемлемой дисциплиной международных робокубков, как и футбол. Если в беге о состязании с человеком пока не может быть и речи, то в актёрском мастерстве RoboThespian («Роботрагик») может дать фору некоторым представителям этой профессии. Устройство является полиглотом, умеет менять тональность голоса и жестикулировать. Оно хорошо подходит как для заученных ролей, так и для импровизированного развлечения зрителей.

article-1360830-0D561879000005DC-202_634x400.png

thelifesized.png



Теперь ты в армии

 Вооружённые силы развитых государств постепенно обзаводятся роботами, но тон задают, конечно, США. В основном это компактные разведчики, которых можно забросить в незнакомое помещение, как двухколёсную машинку Recon Scout XT, либо машины, способные под управлением оператора перепрыгнуть высокое препятствие, подобно искусственной блохе. Во втором эшелоне — системы транспортировки грузов.

110711dn_Sand_Flea_8002.JPG

Робот Sand Flea («Песчаная блоха») был построен два года назад по заказу Управления перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) инженерами компаний Sandia National Laboratories и Boston Dynamics. Последняя известна поставками в армию четвероногих грузовых машин BigDog, а также разработкой робота-гепарда и безголового андроида PETMAN, предназначенного для реалистичных испытаний униформы и средств защиты солдатского тела.
Новое приспособление прозвано «блохой» не из-за внешнего сходства, а благодаря прыжкам, многократно превышающим его собственную высоту. 4,5-килограммовая машина представляет собой укреплённую на четырёх колёсах платформу величиной с ноутбук, внутрь которой помещены видеокамера, двигательная система, вспомогательная электроника, а также выдвижная толчковая «нога». 
Поскольку колёса возвышаются над корпусом на одинаковую высоту как снизу, так и сверху, робот может с лёгкостью передвигаться «вверх ногами». Такая конструкция обусловлена многократными переворотами, которые Sand Flea совершает во время прыжка. 
Сам прыжок (его высота достигает семи метров) обеспечивается пневматическим приводом. Запаса энергии роботу хватает на 30 подскоков, так что главная проблема его использования заключается в выборе нужного забора, здания и иной преграды, за которыми может скрываться противник или, допустим, склад оружия, говорит полковник Питер Ньюэлл. Он возглавляет службу оснащения армейских подразделений новейшим оборудованием Rapid Equipping Force (REF). 
Кроме того, по словам полковника, Sand Flea придётся выдержать конкуренцию с забрасываемым роботом-разведчиком Recon Scout XT, недавно закупленным REF для афганского контингента ВС США. Какая из систем эффективнее, можно будет судить после начала их использования на практике.

Вообще, раз уж зашла речь о блохе, интересна тенденция «анимализации» армейских роботов, которые либо помогает в маскировке, либо копируют полезные свойства животных. Только в этом году американские военные получили летательный аппарат в виде колибри и рассматривают возможность введения в строй робота-гепарда и робота-страуса — если у разработчиков получится удовлетворить требования оборонщиков, а у тех хватит финансов.

Роботизированный зоопарк вооружённых сил США продолжает пополняться — частью в виде готовых изделий, частью в виде проектов. К первым относятся, например, собака-мул BigDog, способная тащить на себе 150 кг груза на расстояние пары десятков километров. Среди вторых можно назвать робота-гепарда и его недавно представленного возможного конкурента робота-страуса FastRunner («Быстрый бегун»).

Авторами искусственной птицы являются инженеры из Института изучения когнитивных способностей человека и машины (IHMC) и Массачусетского технологического института (MIT). Они создали особую конструкцию конечностей, благодаря чему робот может разгоняться до 30 км/ч с помощью лишь одного привода на каждой ноге — чего и требовали заказчики из Управления перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA).
Правда, такая скорость достижима только на относительно ровной поверхности. На пересечённой местности с небольшими препятствиями она снижается до 15 км/ч. Для сравнения: реальный страус «разбегается» до 60–70 км/ч. 
Другие возможности птицеподобной машины пока точно не определены. Предполагается, что её высота составит 1,4 м, на голове расположатся видеокамера и различные датчики, а к корпусу можно будет крепить вспомогательное оборудование и, быть может, лёгкое вооружение.

cheetah.png


Летающие убийцы

Особняком стоят боевые дроны, скорее не роботы, а роботизированные транспортные средства. Но заслуга инженеров здесь ещё более значительна. Как нетрудно догадаться, абсолютными лидерами в этой отрасли также считаются Соединённые Штаты.
Сейчас прослеживается две стратегии развития боевых беспилотников. Одна из них заключается в создании авиации, которая конструктивно близка к пилотируемым вариантам, но при этом управляется дистанционно, а то и вовсе автономна. В феврале состоялся первый полёт X-47B Northrop Grumman (к концу года появился второй прототип машины)

X47B-NG-TWO-12012.jpg, а тремя месяцами позже Boeing поднял в воздух свой Phantom Ray.


Концептуальный проект беспилотного летательного аппарата Phantom Ray и его реализацию разделяют всего четыре года. Судя по таким темпам, настоящие автономные истребители и бомбардировщики станут вскоре неотъемлемой частью американских ВВС.

Самолёт, который компания Boeing начала строить в июне 2008 года, является модифицированной версией демонстрационной модели X-45. Машина, как вы видите на снимках, сконструирована по схеме «летающее крыло». Длина изделия — 11 м, размах крыла — 15 м. Максимальный взлётный вес составляет 16,6 т. Какой же это БПЛА, правда? 
Первый полёт Phantom Ray, длившийся 17 минут, состоялся 27 апреля на авиабазе Эндрюс. Самолёт развил скорость 330 км/ч (втрое меньше максимальной) и поднялся на высоту 2,3 км (потолок — 12,2 км). Летает машина на двухвальной турбореактивное системе General Electric F404, стоящей на многих боевых самолётах США и других стран. 
Руководители проекта, выразив удовлетворение испытаниями, пообещали провести ещё несколько полётов в ближайшие полгода. Интересно, что компания финансирует работу из собственного кармана. Однако, несмотря на это, руководители американской военной и военно-морской авиации крайне заинтересованы в скорейших закупках подобных крылатых бойцов.  

PhantomRayFirstFlight01_610x407.png

Ещё одно направление — вооружение компактных дронов-разведчиков. Самым очевидным решением является миниатюризация ракет и бомб и их подгонка под возможности аппарата, но и вариант самолётов-камикадзе, партия которых уже поступила в войска, тоже перспективен.

raytheonsmallmissile.jpg

aerovironment-switchblade-kamikaze-drone-4.jpg




Потому что мы банда

Во многих областях деятельности требуется помощь не одного, а сразу нескольких роботов, как однотипных, так и разнородных. И тут важно, чтобы коммуникация между ними была быстрой. От самого простого способа — обмена радиосигналами с оператором или коллегой-роботом — постепенно отказываются, поскольку машины не должны тратить время на обработку полученной информации и обдумывание каждого шага.

   Командные действия становятся по-настоящему эффективными, когда каждый участник следит за изменениями в окружающем пространстве и активностью партнёров, принимая на основе этого решения о собственном поведении. Иными словами, роботы должны вести себя так, как это делали бы люди. Тогда они способны выполнять множество задач — от простых (выстраивание в формации, разведка) до куда более сложных (таких как строительство или поиск и доставка нужного предмета в незнакомой среде). А радиопереговоры можно при необходимости заменить псевдочеловеческим или поведенческим языком. 

Уникальный алгоритм передвижения позволяет механическим устройствам выстраиваться в форме букв без предварительных сведений о том, в какую точку нужно двигаться.Обычно процесс расстановки роботов состоит из двух этапов: вначале каждый из них узнаёт, где именно должен находиться, после чего происходит образование строя. 
Студент Лаборатории роботизированных и интеллектуальных систем (GRITS) Технологического института Джорджии Тед Макдональд объединил эти стадии. Созданная им технология выглядит так, как если бы группе людей дали задание выстроиться, скажем, в форме квадрата, но запретили общаться друг с другом. Люди просто смотрели бы за действиями соседей и занимали свободные места, поясняет исследователь. 
В эксперименте, проведённом г-ном Макдональдом, участвовало 15 роботов Khepera — мобильных малышей высотой 3 см и диаметром 5,5 см, которые считаются своего рода «модельным организмом» в робототехнике. Их глазами была 3D-камера, расположенная над группой и отслеживающая все перемещения. Khepera быстро формировали буквы G, R, I, T и S, поскольку каждый из них двигался к ближайшей незанятой точке. Даже если одного из роботов оттаскивали в сторону, остальные стремились заполнить пустоту и сохранить формацию, а «неудачник» становился на свободное место. 
Г-н Макдональд поясняет, что на практике можно поменять камеру на GPS-датчики, встроенные в каждое устройство. Сейчас он работает над модификацией технологии с участием робота-лидера, который мог бы управляться человеком и вести за собой остальные механизмы. 
Применять разработку можно в военной логистике или для выстраивания группы беспилотных летательных аппаратов.

mast-robotics65.png

Роботов-разведчиков учат работать в одной связке в незнакомом помещении.



Роботов учат коллективному строительству


Робогруппы становятся всё более эффективными


Роботов обучают универсальному языку поведения

Система, похожая на человеческий язык, поможет механическим созданиям наладить обоюдные коммуникации и слаженно действовать в команде.Над проектом работают два специалиста Университета Делавэра — инженер Берт Таннер и лингвист Джефф Хайнц. Создаваемая ими методика основана на тех же законах, на которые опираются естественные языки, хотя она и не предполагает использования словоформ. 
Ключевым принципом является построение сложных смысловых конструкций из более простых: роботы объединяют отдельные действия, выступающие в роли «слов», в последовательности-«предложения». Поскольку возможности роботов ограничены заложенными в них программами, набор совершаемых ими действий также относительно невелик. А значит, можно вычислить, какими будут «предложения», и научить других членов группы распознавать их и реагировать соответственно.
Кроме того, в подобном «языке действий» есть своя «грамматика» — свод правил. Например, необходимость взять мячик прежде,