Двуногий робот копирует движения оператора, чтобы не упасть

Инженеры создали робота, который сохраняет равновесие, копируя в реальном времени движения оператора. Двуногий аппарат может ходить, бегать и прыгать. Разработчики надеются, что однажды такие машины будут спасать людей в зонах бедствий.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science Robotics Жуаном Рамосом (Joao Ramos) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Санбэ Кимом (Sangbae Kim) из Массачусетского технологического института.

Автономные роботы всё ещё уступают человеку в гибкости и точности движений. Особенно это касается перемещения двуногих устройств (хотя отдельные системы в последнее время демонстрируют чудеса координации).

Между тем для машины, которая войдёт в зону разрушений, чтобы спасти людей, важно иметь возможность быстро двигаться по очень сложному ландшафту. Авторы новой работы предложили решение, которое обсуждается в фантастике как минимум с 1960-х годов, но до сих пор почти никогда не реализовывалось на практике. Они решили буквально передать ловкость человека по проводам.

"Я верю, что однажды мы получим полностью автономную робототехнику, но это всё ещё дело далёкого будущего. Целесообразно продолжать работу с управляемой человеком робототехникой, а не вкладывать все наши усилия в программирование полностью автономной робототехники", – озвучивает своё кредо Рамос.

Первой такой разработкой команды стал HERMES. Инженеры создали интерфейс, считывающий движения оператора и преобразующий их в команды роботу.

"Поскольку [управляющий роботом] человек может учиться и адаптироваться на ходу, робот может выполнять движения, которых он никогда раньше не выполнял", – объясняет Рамос.

При этом движения робота тоже считываются и передаются человеку. Так обеспечивается обратная связь, работающая в реальном времени.

В экспериментах устройство, повторяя движения оператора, успешно наливало кофе в чашку, а также справлялось с топором и огнетушителем.

В таких опытах были задействованы руки робота и верхняя часть его тела. Однако HERMES не мог передвигаться, он был буквально прикован к месту. Что, собственно, и позволяло ему выполнять сложные и размашистые движения, сохраняя при этом равновесие. Попытка скопировать движения оператора при ходьбе, вероятно, закончилась бы для механизма падением.

Мы поняли, что для приложения большой силы или перемещения тяжёлых объектов недостаточно только скопировать движения [человека], потому что робот попросту упадёт, – рассказывает Ким. – Нам нужно было воспроизвести динамическое равновесие оператора".

Поясним, что под динамическим подразумевается сохранение равновесия в движении.

Для этой цели исследователи разработали Little HERMES, уменьшенную версию "Гермеса", которая втрое ниже среднего взрослого человека. При разработке авторы сосредоточились на туловище и двух ногах робота, в их планы не входило делать его способным к "ручному труду".

Основной принцип работы этой системы такой же, как и у HERMES. Оператор одет в специальный жилет, который считывает его движения и передаёт ему информацию о движениях подопечного. Например, если робот начнёт крениться, человек получит толчок.

Реагируя на опасность с помощью своего отточенного эволюцией вестибулярного аппарата, исследователь совершает нужные движения, а робот копирует их. Это помогает ему сохранять равновесие.

"Если робот начинает падать, оператор чувствует толчок в этом направлении через жилет, – говорит Рамос. – Естественно, реакция оператора состоит в том, чтобы сделать шаг, дабы сохранить собственное равновесие, и робот синхронно делает то же самое, предотвращая опрокидывание".

Однако всё не так просто. Пусть человек, сохраняя равновесие, сделал левой ногой шаг назад шириной 30 сантиметров и отклонил туловище на пять градусов. Спасёт ли машину от падения точное воспроизведение этого манёвра? Едва ли.

Дело в том, что тело робота не является точной копией человеческого. У него иное распределение массы, иные "мышцы", и так далее. Поэтому, чтобы удержаться на ногах, устройству может быть недостаточно как можно точнее скопировать движения человека.

Система должна уловить взаимосвязь между манёврами оператора и равновесием его тела, а затем воспроизвести его решение с учётом собственной "анатомии". Вполне вероятно, что это тоже будет шаг назад и отклонение корпуса, но вот конкретные цифры придётся рассчитать заново.

Именно поэтому авторам потребовалось найти простую модель, описывающую равновесие как человека, так и робота. Исследователи свели её к положению двух точек: центра масс тела и центра давления.

Они обнаружили, что равновесие двуногого существа хорошо моделируется конструкцией, похожей на перевёрнутый маятник. Он прикрепляется к полу в центре давления (имитирующем стопы человека). Груз на другом конце маятника воспроизводит центр тяжести тела.

Инженеры определили, где находится центр масс человеческого тела относительно центра давления во время физической активности. Для этого они считывали движения человека при ходьбе на месте, покачивании взад и вперёд и прыжках.

По полученным данным исследователи построили модель равновесия человека, а затем масштабировали её до размеров робота. На основе этих двух моделей инженеры разработали систему обратной связи, включающую тот самый жилет.

Способность оператора чувствовать движения подопечного и управлять его равновесием они испытали на перевёрнутом маятнике размером с Little HERMES. Когда маятник отклонялся, человек чувствовал это и движением своего тела возвращал его в исходное положение.

Таким путём авторы убедились в работоспособности модели равновесия, сводящейся к положению двух точек. После этого они применили эту схему к роботу.

Когда сенсоры "маленького Гермеса" фиксируют даже небольшой сдвиг центра масс относительно центра давления, система передаёт эту информацию через жилет оператору. Человек чувствует, как костюм толкает его в ту сторону, куда кренится робот. Избегая падения, он отклоняет тело в противоположном направлении. Система рассчитывает, как при этом центр тяжести человека смещается относительно центра давления. Роботу подаётся команда сделать то же самое со своими двумя ключевыми точками. Специальный алгоритм определяет необходимые усилия для его ног. В итоге устройство воспроизводит манёвр человека и удерживается в вертикальном положении.

Усилия разработчиков оправдали себя. Под управлением оператора Little HERMES ходил по неровной поверхности, бегал и подпрыгивал на месте, а также сохранял равновесие при многократных толчках.

Как отмечает Ким, их разработка – первая, в которой реализована обратная связь между равновесием человека и двуногого гуманоидного робота.

Теперь исследователи собираются создать аналогичную систему более солидного размера, снабжённую руками-манипуляторами. Вместе с тем наработки авторов со временем можно будет перенести на четвероногих и колёсных роботов.

Кроме того, они собираются снабдить "маленького Гермеса" беспроводным интерфейсом (пока коммуникация между жилетом оператора и машиной осуществляется по кабелю).

В перспективе такие устройства могли бы сыграть роль роботов-спасателей.

"Нас мотивировали события, которые произошли в 2011 году в Тохоку в Японии. Тогда произошло землетрясение, цунами и последующая катастрофа на АЭС "Фукусима-1", – признаётся Рамос. – Мы подумали, что если бы робот мог зайти на электростанцию после катастрофы, всё могло бы закончиться иначе. Этот инцидент был тревожным звонком для сообщества робототехников".

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о других роботах, сохраняющих равновесие при передвижении на двух ногах. Также мы писали об устройстве, способном ходить, прыгать и летать, и о роботе-пловце.