Британский ютубер Джеймс Брутон хотел построить гигантского шагающего робота из «Звездных войн» и кататься на нем по теннисному корту своего друга. «Моя цель — создать что-то, на что люди захотят кликнуть», — говорит он.
Для этого ему нужно было построить четыре мощные ноги для так называемого AT-AT — который, как известно, впервые появился в фильме «Империя наносит ответный удар» — которыми он мог бы управлять с определенной точностью.
«Мне не нужно что-то массивное и шаткое», — объясняет он, вполне оправданно.
И поэтому Брутон придумал сложную систему моторов и шестеренок, которые функционируют как сервоприводы, перемещая части, положение которых можно отслеживать и контролировать.
Закончив, он снял себя в костюме штурмовика, катающимся на AT-AT. «Он довольно медленный», — признает он.
Сейчас он работает над двуногой версией, для которой потребуются ещё более отзывчивые ноги, чтобы сохранять равновесие, таская Брутона.
Некоторые из разработанных им компонентов похожи на «регулируемые пружины», объясняет он – детали, управляющие движением, способные двигаться в обратном направлении и поглощать удары от земли, например. «Они могут динамически поглощать нагрузку по мере необходимости».
Для того чтобы робот ожил, необходимы компоненты, активируемые движением, или актуаторы. В общем, актуаторы могут либо двигаться вперед и назад, либо вращаться по кругу, и существует множество различных способов это сделать.
Сочетание актуаторов с искусственными телами или конечностями позволяет создавать такие вещи, как роботизированная рука, роботизированная собака или человекоподобный робот.
Если роботы должны стать более сложными, им понадобятся более эффективные, более точные и более интеллектуальные актуаторы.
Сегодня относительно немногие могут производить приводы в больших масштабах с высокой точностью, и эти компоненты все еще далеки от невероятно совершенных мышц, которые позволяют животным двигаться с такой грацией и эффективностью.
Теоретически, новое поколение приводов могло бы обеспечить переход от роботов-неуклюжих к гораздо более балетным машинам.
«Долгое время робототехники использовали двигатели постоянного тока для приведения роботов в движение», — говорит Майк Толли из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Такой двигатель отлично подходит, например, для вращения вентилятора, потому что он хорошо работает на высоких скоростях с низким крутящим моментом.
Крутящий момент — это мера вращательной силы, которая может перемещать что-либо, например, колесо, вокруг оси.
Однако Толли отмечает, что люди двигаются совсем не так, как вращаются вентиляторы. «Мы хотим иметь возможность поднимать и толкать предметы, а также выполнять действия, требующие большой силы и крутящего момента».
И, если роботизированная рука резко двинется в вашу сторону, из соображений безопасности вам потребуется возможность немедленно остановить её и оттолкнуть назад, не причинив себе вреда, мгновенно изменив направление движения. Для этого, в частности, необходим привод с возможностью обратного хода.
Простые приводы без такой возможности немного похожи на автомобили с механической коробкой передач, которые нужно переключать на задний ход.
«Ещё одна проблема современных роботов заключается в том, что у них быстро разряжаются батареи», — добавляет Дженни Рид, директор программы по развитию ловкости роботов в Aria, агентстве по финансированию технологий. «Электродвигатели в этом плане ужасны».
Наконец, очень маленькие приводы, созданные с использованием традиционных электродвигателей, как правило, сильно нагреваются в таких масштабах — ещё одна головная боль.
Немецкая компания Schaeffler в настоящее время работает над исполнительными механизмами для британской робототехнической компании Humanoid. Цель Schaeffler — разработка компонентов, обеспечивающих высокоэффективное и хорошо контролируемое движение, что крайне важно для того, чтобы компетентные двуногие роботы могли безопасно передвигаться и работать рядом с людьми.
Часть подхода включает разработку исполнительных механизмов, которые выдают большое количество данных о своем текущем положении и функции, чтобы компьютеры могли корректировать их работу в режиме реального времени. Но и аппаратная часть также должна быть усовершенствована.
«Мы должны попытаться и протестировать, чтобы найти эту оптимизацию трения, обратной тяги», — говорит Дэвид Кер, президент Humanoid Robotics. «Это действительно большая головоломка».
Schaeffler надеется использовать роботов на своих собственных заводах — например, для загрузки свежеизготовленных деталей с конвейерных лент в стиральные машины перед упаковкой для отправки. «Мы уже испытываем нехватку рабочей силы», — говорит Кер. Я спрашиваю, будут ли люди, которые сейчас выполняют эту задачу, переподготовлены для других ролей на заводе, и Кер отвечает: «Безусловно».
Ведущая робототехническая компания Boston Dynamics, базирующаяся в США, обратилась к южнокорейской фирме Hyundai Mobis – преимущественно производителю автомобильных запчастей – за новым поколением приводов.
«Привод состоит из контроллера двигателя и редуктора. Он очень похож на систему электроусилителя руля», — говорит Се Ук О, вице-президент, возглавляющий подразделение робототехники в Hyundai Mobis. Он отмечает, что это будет первый случай, когда его компания поставляет приводы для человекоподобных роботов.
«Качество и надежность очень важны для безопасности человека. У нас много технологий для этого и большой опыт».
Сегодняшние приводы, даже самые современные, по-прежнему в основном изготавливаются из металлов, твердых пластмасс и электроники. Но есть и другие идеи. Толли и его коллеги работают над совершенно другим подходом.
«У нас есть мягкие роботы, работающие на сжатом воздухе, которые могут ходить по суше, а затем заходить в воду — нам не нужно беспокоиться о том, что произойдет, когда что-то намокнет», — объясняет он. В одном из случаев шестиногий робот, лишенный электроники, двигает ногами, чтобы ходить, когда воздух закачивается и выкачивается из трубки.
Команда Толли даже пыталась переехать одного из своих роботов на машине. «Мы хотели показать, что он достаточно мягкий и податливый. Он действительно может выдерживать множество различных воздействий».
Агентство Рида в настоящее время финансирует различные новаторские подходы к робототехнике, некоторые из которых включают в себя приводы из эластомеров — таких как эластичные пластмассы. Такой материал может быть зажат между электродами, так что они сокращаются или расширяются при подаче и снятии напряжения, например. Это похоже на мышцы животных.
«Это исследуется уже много лет», — говорит Рид, признавая, что эластомеры еще не произвели революцию в технологии приводов. «Часто с такими технологиями приходится постоянно двигаться вперед».
Конечная цель, по её словам, — это роботы, которые будут гораздо более «грациозными», чем современные. «Роботы […] обладают этой неуклюжестью и тяжестью, — говорит она, — что так сильно отличается от того, как двигаемся мы».