Группа ученых Волгограда готовит революцию в робототехнике

В прошлом номере «Вечерки» по просьбе читателей мы начали серию материалов о волгоградских изобретателях. Наш сегодняшний герой – руководитель группы молодых ученых, которые работают над энергоэффективностью шагающих роботов. Это одно из самых перспективных направлений мировой науки. Трехтонный «осьминог» В 2017 году стартовала президентская программа исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми. В рамках проекта гранты сроком на три года выделены на проведение научных исследований молодежными научными коллективами под руководством кандидатов или докторов наук в возрасте до 35 лет. Одним из победителей по направлению «Поддержка исследований научных групп под руководством молодых ученых» и стал кандидат технических наук из Волгограда Ярослав Калинин. Многие эксперты прогнозируют, что в ближайшее время роботы станут одной из реальных инноваций, которые преобразуют мир. И это вполне может произойти благодаря проекту Ярослава и его единомышленников «Развитие методов управления многоприводным многоногим шагающим роботом с учетом геометрических параметров среды передвижения». – В 2018 году я участвовал в престижной президентской программе грантов МВФ для групп под руководством молодых ученых и выиграл. Можно сказать, что для меня это был последний шанс, так как в 2019 году мне исполнилось 36 лет, – рассказывает Ярослав Калинин. – Победа очень значимая. Кроме того, что многое дает просто в моральном плане, она обеспечила финансирование, в течение трех лет получено 4,5 млн рублей. Это дает возможность закупать оборудование и комплектующие, ездить в командировки, в том числе заграничные, выплачивать зарплату коллективу из восьми человек. Я занимаюсь энергетикой движения шагающих машин-роботов. Эти механизмы в каком‑то плане копируют природу, с другой стороны – кардинально от нее отличаются. Есть конструкции, которые не подсмотрены у природы, имеют большие различия и нигде больше не встречаются. Это так называемые ортогональные (прямоугольные) движители (движитель – это устройство, преобразующее энергию двигателя либо внешнего источника через взаимодействие со средой, в полезную работу по перемещению транспортного средства. Является частью машин. – Прим. авт.). Такие шагающие движители были предложены в конце 70‑х годов прошлого века известным профессором Николаем Владимировичем Умновым. Мы продолжаем его дело. Энергетика, динамика этих движителей – многоногих многоприводных роботов – и является предметом моего изучения. Естественно, робот состоит не из одного движителя: для того чтобы он был устойчивым, мог передвигаться, этих устройств ему необходимо несколько. В нашем случае он состоит из восьми движителей. У таких роботов есть определенные трудности в системе управления. Группа волгоградских ученых пытается их разрешить, развивая два фундаментальных направления. Первое – это чисто теоретическая механика. Второе – это построение системы управления, которая будет обеспечивать все теоретические выкладки. – Мы создаем алгоритмы энергоэффективного движения этих шагающих машин. Для таких роботов самая большая проблема – это их низкая энергоэффективность, – поясняет Ярослав. – Те примеры, которые можно увидеть в Интернете, как правило, не идут дальше лабораторного макета, потому что все губит энергетика. Так, один из известных проектов американских ученых был вскоре свернут. Его потребителем были военные: машина предназначалась для того, чтобы сопровождать солдат на поле боя и нести за них грузы. Но энергетика всех шагающих машин такова, что никакой современный аккумулятор не может обеспечить более-менее приемлемое время их автономной работы. В этом случае вся шагающая машина состояла бы из одного аккумулятора. На роликах с американским роботом слышно, как при его ходьбе стрекочет двухтактный двигатель, поэтому военные от него отказались: такой демаскирующий помощник армии не нужен. Проблема эта извечная, показана она была еще в 80‑х годах прошлого века: мощность, которая будет затрачиваться на перемещение шагающих машин, пропорциональ­на кубу скорости, то есть, если мы хотим увеличить скорость в два раза, то мощность машины нужно увеличить в восемь раз. Подсказки природы Есть два направления, как с этим бороться. Первое – это изобретение новых источников энергии. Второе – то, чем занимается Ярослав Калинин и его научная группа, – создание эффективных алгоритмов движения. – Мы должны заставить машину двигаться так, чтобы она потребляла как можно меньше энергии, – объясняет Ярослав. – Если мы хотим поддерживать постоянную скорость движения – это будет одна энергия, если мы допускаем, что корпус будет периодически разгоняться и замедляться, – другая. На самом деле и человек, и животные ходят, используя шагающие движители. И все у них с энергетикой хорошо именно за счет того, что есть совершенная система управления, которая работает на бессознательном уровне: человек при ходьбе разгоняется и замедляется. Мы настолько к этому привыкли, что не замечаем этого. И вот это как раз‑таки и позволяет улучшить энергетику движения. Моя кандидатская диссертация посвящена этому вопросу, я получил фундаментальное управление, которое описывает процесс разгона корпуса и переносимой ноги. Вместе с моими коллегами мы пытаемся построить, подсмотрев у природы, энергетически эффективные алгоритмы движения. Как их обрабатывать и управлять – это уже вопрос к компьютерным наукам, тем, кто занимается искусственным интеллектом. То есть мы не ставим задачу воссоздать человеческий мозг, мы создаем систему движения, и это на сегодняшний день – центральная задача робототехники. Для этой работы мы создали специальную машину по принципиально новым схемам, которые были предложены профессором Умновым. Мы их доработали, и в сотрудничестве с одним из предприятий города создали полноразмерную машину массой порядка трех тонн, на которой отрабатываем законы управления. Кстати, средства, потраченные на ее создание, мы также получили благодаря гранту. Результаты этой работы уже достигнуты: мы можем экономить 15‑20 % энергии базовых элементов движения. Это очень хороший результат. Даже эти проценты дают существенный прирост скорости при той же мощности либо возможность, увеличивая скорость, получать не такую большую энергетику. Сейчас мы отрабатываем вопросы разгона, торможения, маневрирования, движения в стесненных условиях. На Земле, под водой, на Марсе Ученый подчеркивает, что эта работа – сугубо фундаментальная, есть один опытный образец, задачи строить такие машины массово не стоит. Все эти выкладки применимы ко всем шагающим механизмам – и к существующим, и к тем, которые когда‑нибудь будут изобретены. То есть то, чем сейчас занимается группа волгоградских ученых, повышает автономность роботов, которые смогут на том же запасе энергии дольше двигаться или реже заряжать батарейки. – Применять шагающие машины можно везде, где не столь хорош колесный или гусеничный двигатель, – продолжает Ярослав. – Понятно, что по дорогам общего пользования шагающая машина никогда не будет двигаться, это нецелесообразно. Практически нигде не встречающееся в природе колесо на дороге незаменимо. Но если речь идет о завалах, пересеченной местности, работе лесной промышленности, работе в сфере вулканологии, в МЧС – при перемещении в завалах, по лестницам, то тут колесно-гусеничные механизмы проигрывают шагающим. Последние могут перешагивать препятствия, это может быть и выступ, и глубокая канава. Рассматриваются также варианты колесно-гибридных шагающих планетоходов, есть уже марсианский планетоход, который можно назвать гибридным, но шагание у него пассивное. Есть проекты механизмов, в том числе марсоходов, у которых есть возможность переключения между колесным и шагающим движителем, в зависимости от условий, в которые попал робот. Это все очень узкие ниши применения, но тем не менее в них уже сейчас возникает большая потребность. Разрабатываются также различные подводные системы, где колесный движитель просто не применим. Шагающие механизмы могут обеспечить большое тяговое усилие на подводных слабонесущих грунтах, на которые опираться очень сложно. Так как сейчас активно идет освоение прибрежных акваторий, то шагающие механизмы имеют здесь большие перспективы. По мере развития робототехники шагающие механизмы будут еще более востребованы, но их развитие будет упираться в энергетику, и здесь придут на помощь наши разработки. Ольга Багрова. © Фото ИД «Волгоградская правда» / архив; героев публикации.