Если лучший друг человека - собака, то в будущем ближайшими друзьями астронавтов вполне могут стать марсоходы. Исследовательская группа из ЕКА, Немецкого аэрокосмического центра DLR, европейских научных и промышленных кругов разработала методику, позволяющую астронавтам на орбите управлять роверами, исследующими поверхности, в результате чего был создан земной ровер, управляемый с борта Международной космической станции. В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Science Robotics, подробно описываются полученные результаты.
"Это первый случай, когда астронавт в космосе смог управлять роботизированной системой на земле таким захватывающим, интуитивно понятным способом", - комментирует Аарон Перейра из DLR.
"Наш интерфейс управления с 6 степенями свободы включает в себя обратную связь по силе, так что астронавт может ощущать все, что чувствует ровер, вплоть до веса и плотности пород, к которым он прикасается. Это помогает компенсировать любые ограничения пропускной способности, плохое освещение или задержку сигнала, создавая реальное ощущение погружения, то есть астронавт чувствует себя так, как будто он присутствует на месте событий".
Инженер-робототехник Томас Крюгер, возглавляющий лабораторию ЕКА по взаимодействию человека и роботов, добавляет: "Роботам можно предоставить ограниченную автономию в известных, структурированных средах, но для систем, выполняющих исследовательские задачи, такие как сбор образцов в неизвестных, неструктурированных средах, необходим некий контроль со стороны человека. Однако прямое управление не представляется возможным из-за проблемы задержки сигнала, время передачи которого ограничено скоростью света.
"Поэтому мы работаем над концепцией, согласно которой люди могут безопасно и комфортно находиться на орбите вокруг Луны, Марса или других планетарных тел, но при этом быть достаточно близко для прямого контроля над роверами на поверхности - сочетая сильные стороны человека, такие как гибкость и импровизация, с надежным, ловким роботом на месте для точного выполнения его команд".
Команда из Лаборатории HRI ЕКА и Центра робототехники и мехатроники DLR работала над серией постепенно усложняющихся испытаний, сначала на Земле, затем на орбите.
"В конечном итоге нам потребовалось провести технико-экономические эксперименты из космоса, потому что прошлые исследования показали, что невесомость может ухудшить производительность человека при выполнении задач на силу и движение", - добавляет Томас. "Это и другие уникальные факторы окружающей среды означали, что моделирования на Земле было бы недостаточно".
Кульминацией их усилий стала первая часть эксперимента "Аналог-1", проведенного в конце 2019 года. Астронавт Лука Пармитано на борту МКС управлял оснащенным захватами марсоходом ESA Interact находящегося в ангаре в Валкенбурге, Нидерланды, чтобы исследовать породы и собрать образцы. Двухчасовое испытание связи между космосом и землей прошло успешно, преодолев задержку двустороннего сигнала в среднем более 0,8 секунды и потерю пакетов данных в размере 1% плюс.
"Несмотря на то, что МКС находится на орбите всего в 400 км над землей, ее сигналы передаются на Землю через геостационарные телекоммуникационные спутники, а затем в Европу из Техаса по трансатлантическому кабелю", - объясняет Аарон.
"Наша команда в DLR должна была разработать алгоритм управления, который мог бы стабильно функционировать, несмотря на эту временную задержку. Поскольку существует задержка в обратной связи по усилию, получаемой оператором, он может продолжить движение робота дальше даже после того, как тот заденет камень. Это может привести к рассинхронизации робота с его контроллером, потенциальной вибрации, возможно, даже к повреждению самого робота.
Чтобы этого не произошло, мы используем концепцию "пассивности". "Так, например, когда рука робота движется и вдруг натыкается на камень, для движения потребуется дополнительная энергия, которой астронавт не командовал, поэтому мы сразу уменьшаем энергию, чтобы замедлить руку. Затем, после задержки в 850 микросекунд, когда астронавт почувствует камень, он может принять решение, чтобы добавить дополнительную энергию, чтобы толкнуть его".
Этот метод очень интуитивно понятен на практике и должен хорошо работать и при более высоких временных задержках.
Томас заключает: "Основное ограничение проделанной до сих пор работы заключается в том, что нашей искусственной лунной среде не хватает реалистичности. Поэтому этим летом будет проведена вторая часть Аналога-1 на вулканических склонах горы Этна в Италии в рамках более крупной международной кампании по испытанию роботов под названием ARCHES.
"Лука Пармитано снова будет управлять нашим ровером Interact, на этот раз в режиме 1G - с Земли".