История шагающих роботов

Рассмотрим историю шагающих механизмов. Первыми, конечно же, были идеи. На рисунке из XVIII века (рис. 1) изображена машина, передвигающаяся с помощью ног и колес (авторство рисунка не установлено). Причем главным движущим механизмом являются именно ноги. Думается, это была традиционная для того времени идея, поскольку люди перемещались на телегах, каретах и т.п. И что первое придет в голову, если захочется модернизировать данный вид транспорта?

Рис. 1 машина 18 века

Вторая, более знаменитая идея, принадлежит Джорджу Муру (The Steam Man - 1893 год) - это был андроид образца XIX века (рис. 2). Правда, реализоваться данный проект не смог, хотя и получил большую известность.

Рис. 2 Андроид Дж. Мура

В 1983 году имела место еще одна очень интересная идея - совмещение лошади и велосипеда - The Mechanical Horse (рис.3). Принадлежит она Л. А. Риггу. Вслед за механизацией телеги или кареты (см. рис.1) изобретатель предложил модернизацию лошади.

Рис. 3 Лошадь Л.А. Риггу

Действительно, во время первой мировой войны данные футуристические идеи стали реализоваться. Первым стало появление уже сконструированного и собранного механизма Walking Machine, показанного на рисунке 4. Данная машина передвигалась только с помощью большого количества ног, работающих практически по принципу гусеничного механизма.

Рис. 4 Walking Machine

Другой вариант - это шагающий трактор (Walking tracktor), разработанный в это же время. Как можно видеть на рисунке 5, сзади у механизма находятся две шагающие ноги, приводящие механизм в движение, а спереди - колеса. Получается телега наоборот.

Это была первая реализация сочетания механических ног и колес в одной машине и, пожалуй, единственная, поскольку в дальнейшем машины стали делать только на ногах или только на колесах.

Рис. 5 Шагающий трактор

На какое-то время в истории шагающих машин наступило затишье вплоть до технологического прорыва 60-70-х. На рисунке 6 вы можете увидеть изобретение 1966 года, реализованное МакГи и Франком в университете Южной Калифорнии. К этому стоит добавить, что это первое изобретение подобного рода, предусматривающее компьютерное управление. Называется оно Phoney Poney.

Рис. 6 Phoney Poney

В 1968 году Р. Мошер завершил работу над созданием настоящего четырехногого монстра с ручным управлением под названием General Electric Walking Truck (рис.7). Его изображение можно часто увидеть на многих научных и околонаучных сайтах. У Phoney Poney, так же, как и у General Electric Walking Truck, было по четыре ноги. Впоследствии ученые решили усложнить свои модели, что стало присуще разработкам 70-80х.

Рис. 7 GE Walking Truck

В 1973 году целая команда советских ученых завершила работу над практической реализацией шестиногой машины (рис.8) (доктор наук, профессор В.С. Гурфункель, доктор наук А. Ю. Шнейдер, доктор Е.В. Гурфункель и коллеги). Лично для меня было интересно узнать, что советские ученые устроили настоящую гонку по созданию шагающих роботов.

Рис. 8 Шестиногая машина 1973 года

1977 год был весьма урожайным на всевозможные реализации шагающих роботов. Началось своего рода соревнование между США и СССР, что было нормально для того времени. С американской стороны выступал тот же МакГи со своей командой, с советской - профессор Гурфункель и коллеги. Причем русские "шестиноги" назывались очень просто - "Маша". Их мы можем увидеть на рисунках 9 и 10.

Рис. 9 Шестиног «Маша»

Рис. 10 Шестиног «Маша»

В ответ на "Машу" МакГи и команда предложили свою версию шестиногого робота, которая весила 136 кг (рис. 11).

Рис. 11 Шестиног МакГи

С 1976 года по 1979 в исследовательском центре Komatsu Ltd. (Япония) разрабатывался супер-робот. Таким образом, можно отметить, что, начиная с этого периода, к гонке среди разработчиков присоединяются японцы. Устройство под названием ReCUS (Remotley Controlled Underwater Surveyor) имело восемь ног, 8 метров длины, 5,35 ширины и 6,4 метра высоты. Весить такая конструкция должна была порядка 29 тонн. Максимальная скорость - 0,07 м/с. До нас же дошли только чертежи.

В 1979 году к московским разработкам профессора Гурфункеля присоединился Санкт-Петербург (тогда Ленинград). Там был также разработан и сконструирован "шестиног", но с гораздо более скромными параметрами: вес - 40 кг, длина - 60 см, ширина - 25 см, высота ног - 20 см. И, кстати, такое стремление к минимализму очень свойственно многоногим устройствам. Во-первых, они проще в реализации. Во-вторых, в большинстве своем такие устройства имели чисто научное значение.

Но вместе с тем в период 1980-1983 гг. американцы продолжили развитие тяжелых роботов с большим количеством ног. Изобретатели Сазерленд и Спрулл создали машину длиной в 2,4 метра, развивающую скорость 0,11 м/с.

Далее свою веху в историю вписывают японцы. Живая легенда - TITAN III и TITAN IV (TITAN - аббревиатура от Tokyo Institute of Technology, Aruku Norimono). Ноги TITAN III были оснащены специальными сенсорами, которые были связаны со специальной электронной системой управления, именуемой PEGASUS (Perspective Gait Supervisory System). Данная система позволяла адаптировать движение механизма относительно изменений поверхности. Этот этап можно смело назвать этапом внедрения интеллекта в шагающие машины. Длина ног у TITAN III была 1,2 м, и весил он 40 кг. Глядя на рисунок 12, нельзя не вспомнить персонажа мультипликационного фильма "Тайна третьей планеты". Может быть, TITAN III был прототипом.

Виды шагающих роботов

В настоящее время наиболее распространенными разновидностями шагающих роботов являются двуногие,  четырехногие и шестиногие роботы.

Шестиногий робот (англ. hexapod) – один из типов шагающих роботов, имеющий две возможные формы корпуса. Как у большинства машин такого типа имеется “модель в природе” – таракан. Данная конфигурация значительно распространена в робототехнических кругах разработки в силу рада причин. Для лучшего понимания этих причин, следует сравнить шестиногую конфигурацию с двумя другими наиболее активно применяемыми – двуногой (бипедальной) и четырехногой (квадропедальной).

Бипедальная конструкция привлекательна для реализации, так как она основана и повторяет моторику человека. Как следствие, такой робот будет лучшим образом приспособлен к действиям в среде, подготовленной для человека. Данное преимущество влечет за собой недостаток подобных систем – значительную сложность реализации. Компоновка человекоподобного робота схожа с телом человека, то есть центр тяжести находится высоко над поверхностью, и точки опоры всего две. Очевидно, что данная система склонна к опрокидыванию при незначительном отклонении центра тяжести. Это влечет за собой необходимость разработки механизмов стабилизации от опрокидывания при ходьбе. Подобные механизмы требуют значительных ресурсов на проектирование устройств и программного обеспечения. Одним из наиболее известных проектов в данной области является робот PETMAN американскойкомпании Boston Dynamics (образовалась в Массачусетском технологическом институте)[Boston Dynamics], робот MABEL лаборатории Мичиганского университета[Nicole Casal Moore, 2011], ASIMO корпорации Honda[Asimo Honda].

Квадропедальная конструкция отличается наличием достаточного количества ног для удержания корпуса в стабильном положении без использования спецсредств. Устойчивость достигается за счет расположения центра тяжести и минимум трех ног на поверхности таким образом, чтобы центр тяжести находился внутри получившегося треугольника. При поднятии шагающей конечности центр тяжести изменяется. Подобная система проще в реализации, и может быть приспособлена к передвижению по поверхности с непредсказуемыми перепадами высот, а также преодолению препятствий высотой до уровня крепления конечностей.

Гексапедальная конструкция обладает симметричной формой и возможностью использования дополнительных опорных ног. В отличие от четырехногой системы, шесть конечностей позволяют сохранить центр тяжести при ходьбе вблизи от его положения при положении стоя. Для этого используются разные алгоритмы. Кроме того большее количество точек опоры позволяют надежнее удерживаться на неровных поверхностях и позволяют одновременно перемещать до трех ног. То есть все ноги можно переместить за два движения, что проблематично в квадропедальной конструкции. Недостатками шестиногой конструкции являются загруженность оборудованием, обслуживающим все шесть ног, и как следствие относительная громоздкость, большая масса и увеличенное энергопотребление относительно четырехногой системы