Эксплуатация шагающих роботов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Аэрокосмический факультет

 

 

 

Реферат на тему “ Эксплуатация шагающих роботов”

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. ТМС-13

Гиниятов Максим Айвазович

 

 

 

Пермь  2015

 

 

Начало пути шагающих роботов

 

По правилам DRC (DARPA Robotics Challenge — практические испытания роботизированных систем под эгидой Управления перспективных исследовательских программ в области обороны) роботизированные системы должны будут работать в окружающих условиях, созданных для людей, и использовать самые обычные инструменты.

В настоящее время активно принимаются на вооружение различные роботизированные системы, и, кроме того, начинает формироваться новое поколение систем, способных пройти там, где может пройти человек. Впрочем, многое еще должно быть сделано, прежде чем их можно будет увидеть рядом с собой на технологиях военного дела.

Наземные и воздушные беспилотные системы представляют собой важный инструмент для современных военных, их применение уже стало нормой, а не исключением. Конфликты в Ираке и Афганистане привели к их экспоненциальному росту, миллиарды долларов были потрачены на разработку и закупку подобных систем.

 
 
В то время как системы, подобные БПЛА Reaper, привлекают к себе очень большой интерес, работа их наземных аналогов также заслуживает всяческих похвал. Вследствие того, что самодельные взрывные устройства (СВУ) представляют собой наибольшую угрозу для сил, развернутых в Афганистане, «трудолюбивые» автоматические наземные аппараты (АНА) оказались в центре внимания. Эти системы ежедневно участвуют в так называемых «глупых, грязных и опасных» задачах, а при выполнении своих обязанностей они часто получают повреждения, порой «летальные». Несмотря на огромные суммы денег, инвестируемые в роботизированные системы, их сфера деятельности до сих пор ограничена задачами обезвреживания взрывоопасных предметов, что, исходя из оперативных потребностей, является совершенно обоснованным. Впрочем, в настоящее время функциональность АНА начинает расширяться, они всё чаще выполняют разведывательные задачи и даже задачи материально-технического снабжения. 
 
Появились возможности расширения сферы применения роботизированных систем и не только в военном секторе. Прогресс в роботизированных системах может привести к созданию систем, которые способны работать вместе и взаимодействовать с человеком на физическом или социальном и когнитивном уровне. Они также по большей части смогут выполнять задачи для людей или вместе с ними в промышленной среде, например, на заводах. Военные наземные роботизированные системы, имея множество потенциальных задач, могли бы стать лучшим другом каждого солдата, например, могли бы носить его снаряжение, вести передовое наблюдение и даже эвакуировать его с поля боя. Однако, остается одна большая проблема: нынешние системы, несмотря на их обилие, не могут пройти там, где может пройти солдат. Многие АНА имеют высокую степень подвижности, но их колесные и гусеничные конфигурации ограничивают их применение. Чтобы роботы смогли стать полезными на все сто процентов, им необходимо научиться ходить. «Шагание» должно стать единственным видом локомоции (совокупность согласованных движений, посредством которых робот перемещается в пространстве), ну, или хотя бы частью возможностей гибридной конструкции. 
 
По большей части инвестиции в шагающие системы были минимальными, мощные оборонные предприятия едва коснулись этой области, здесь «правят бал» специализированные компании, университеты и исследовательские институты. В то время как этим системам, по большой части, было уделено мало внимания, возможности роботов, которые могут работать бок о бок с человеком или вместо него, не остались незамеченными. И такие мероприятия как DRC (DARPA Robotics Challenge — практические испытания роботизированных систем по программе Управления перспективных исследований и разработок министерства обороны США) обеспечивают действенную поддержку этим технологиям. 
 
Шагающие роботы имеют много преимуществ: они хорошо подходят для пересеченной местности, могут подниматься по ступеням, преодолевать рвы и работать там, где не могут колеса и гусеницы. Это комплексные инженерные задачи, и для использования преимуществ роботов в сферах гражданского и военного применения необходимы значительные ресурсы. 
 
Одной из первых задач, которую военные рассматривают для шагающих систем, является логистика. В Афганистане, в частности, вследствие неблагоприятных условий окружающей среды и агрессивных действий повстанцев могут быть значительные проблемы с мобильностью, что способно негативно сказаться на традиционном материально-техническом снабжении, осуществляемым наземными или воздушными платформами. Развернутый личный состав также переносит на себе всё более тяжелые грузы, поскольку объем снаряжения, который он задействует в процессе несения службы, постоянно и стремительно растет.

 

Шагающая система поддержки отделения Legged Squad Support System

С этой целью корпус морской пехоты и армия США некоторое время назад изучили возможность переделки небольших пилотируемых транспортных средств в автоматические системы; армия с заметным успехом испытала уже систему поддержки отделения SMSS (Squad Mission Support System) от Lockheed Martin в Афганистане. Впрочем, основное беспокойство вызывает неспособность SMSS и других подобных транспортных средств передвигаться там, где могут передвигаться солдаты и пехотинцы, которым они должны содействовать. Солдатская выкладка в Афганистане превратилась в такую серьезную проблему, что на службу были призваны мулы с целью поддержки войск, несущих службу на труднопроходимой местности. Но такой подход представляет собой лишь временную меру. 
 
Для решения этой проблемы морская пехота работает в настоящее время с DARPA над шагающей системой поддержки отделения LS3 (Legged Squad Support System). Целью этих работ является объединение мобильности и логистических возможностей в системе, которая могла бы перемещать 400 фунтов (181 кг) снаряжения на расстояние более чем 32 км без необходимости вмешательства в течение 24 часов, а также могла бы поддерживать темп с подразделением, которому она придана. 
 
Четырехногий робот LS3 стал развитием системы BigDog, которая также была создана компанией Boston Dynamics. Последние полевые испытания робота были проведены в декабре 2012 года в Вирджинии; двухнедельные работы проводились в сотрудничестве с лабораторией ведения боевых действий корпуса морской пехоты. Ноги LS3 имеют гидравлические приводы с сенсорами для распределения усилий и позиционирования всех шарниров. Система может бегать и поддерживать равновесие на рыхлой, скользкой и неровной почве, а также подниматься при потере равновесия.

Робот LS3 имеет высокую степень подвижности и может переносить на себе значительные грузы.

Во время испытаний были продемонстрированы пять возможностей системы: 1) голосовые команды; 2) ночные операции; 3) приказы «иди»; 4) восприятие окружающей обстановки; 5) интеллектуальная постановка ног. 
 
Руководитель программы LS3, лейтенант-полковник Джозеф Хит, определил эксплуатационную надежность и восприятие платформы в качестве основных задач, которые предстоит решить для этой системы. В то время как первая представляет собой инженерную задачу, вторая потребует совершенствования когнитивных возможностей системы. Эта проблема робототехники решается уже не столь легко, и ей необходимо уделить очень много внимания. 
 
Если роботизированные системы, шагающие или иного типа, должны работать в реальной обстановке, их осведомленность об окружающем пространстве, в котором они развернуты, станет ключевым условием их эффективности. 
 
Целью программы LS3 является функционирование системы без повышения когнитивной нагрузки на пехотинцев. Чтобы добиться этого, когнитивная нагрузка должна быть возложена на саму систему. 
 
«Если вы хотите, чтобы транспортное средство было дистанционно управляемым или просто следовало бы за оператором, я полагаю, программное обеспечение в этом случае — не проблема. Если же вы хотите, чтобы оно двигалось само по себе и шагало через лес без персонального контроля, тогда внезапно вы оказываетесь на совершенно другом уровне сложности», — пояснил профессор Грегори Дудек, директор школы компьютерных наук и бывший директор центра интеллектуальных машин. 
 
«У нас есть шагающий аппарат, он может изучить и запомнить, на что похожа данная местность, и поэтому, если робот встречает такую же местность снова, ему не нужно много времени, чтобы понять, он уже выучил свойства подобной местности. Это выполнимо, но это может быть трудно… Наземная окружающая обстановка является, быть может, самой сложной: много препятствий, много переменных и много взаимодействий. И шагающие системы из-за своей универсальности также имеют больше различных типов отказа, они могут спотыкаться, падать, пнуть что-нибудь, но они раздвигают границы того, что мы можем делать. Я думаю, что шагающие системы относятся к очень сложным устройствам, но, как уже сказано, проблема самой шагающей мобильности — куда поставить свою ногу — даже в такой сложной системе, как LS3, решена довольно неплохо».

Для того, чтобы улучшить процесс восприятия роботов и позволить им действовать самостоятельно, важно наделить их способностями к обучению. Несмотря на то, что сенсоры могут обеспечить ситуативную и физическую информированность, только посредством обучения роботы могут узнать, как лучше всего взаимодействовать со своим внешним окружением.

Применение роботов в реальном мире

Испытания в рамках DRC находится на передовых позициях в сфере разработки функциональных роботов имеющих применение в реальном мире, в данном случае — это оказание помощи в районах бедствия. Они соединяют вместе вопросы восприятия, мобильности и полезности, они отличаются несколькими уникальными особенностями, связанными с человеком. Одно из них — внешние условия, в которых роботы должны работать. DARPA признало, что бедствия и катастрофы происходят по большей части в окружающей среде, спроектированной для использования человеком, она не беспорядочна и структурирована. 
 
В настоящее время задания, предусмотренные этими испытаниями (соревнованиями), включают: вождение универсального транспортного средства; движение своим ходом через нагромождение камней; удаление строительного мусора с дверного проема; открывание двери и вход в здание; восхождение по приставной лестнице и затем дальнейшее движение по зданию; использование инструментов для прохода через бетонную панель; определение и закрытие задвижки вблизи протекающей трубы; и замена компонентов, например, водяного насоса. 
 
DARPA публично не предоставила информацию об уровне автономности, которую должны иметь роботы, но озвучило в начале соревнований, что задачи будут поставлены таким образом, чтобы подчеркнуть важность автономности роботов на уровне комплексного задания, например, роботу будет дана команда самостоятельно открыть дверь вместо пошаговых инструкций и тщательного контроля. DARPA также будет менять качество каналов связи во время испытаний и постепенно снижать его, чтобы посмотреть, как роботы будут справляться со своими задачами в таких условиях. 
 
Профессор Дудек сказал, что уровень автономности роботизированных систем всегда является спорным вопросом. «Разговоры о том, сколько автономности будет в этих системах, я нахожу пустыми. Если вы хотите, чтобы они изначально работали хорошо и подходили вам, не надо, чтобы они были слишком автономными… Некоторые технологии хорошо понятны и хорошо работают, но я считаю, это плохая идея — сделать их автономными в ближайшем будущем… просто потому, что при возникновении проблемы возникает вопрос: кто возьмет на себя ответственность?»