
Что такое змеевидные роботы? Для чего они нужны? Как вообще появилась идея сделать робота похожим на змею и насколько эти машины вообще похожи на настоящих змей? Об этом рассказали ведущий герпетолог Московского зоопарка Олег Шумаков и заместитель директора Центрального научно-исследовательского и опытно-конструкторского института робототехники и технической кибернетики Санкт-Петербурга Олег Шмаков.
Лекции прошли в рамках очередной встречи «Человек. Машины. Энергия», организованной кафедрой робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин МЭИ совместно с ИДДО. Провели мероприятие завкафедрой Игорь Меркурьев и профессор кафедры Олег Кубряк.
Олег Шумаков посвятил свое выступление особенностям построения движения змей в разных средах обитания. В первую очередь, эксперт отметил, что в процессе эволюции у змей, которые произошли от ящериц, исчезла грудная клетка и появились ребра на всех позвонках за исключением хвостовых и шейных. Кроме того, особенности имеют и сами позвонки: они соединяются друг с другом по принципу шарового шарнира.
У змей короткие мышцы. Их размер обеспечивает высокий коэффициент полезного действия, но снижает выносливость. Мышцы крепятся в нескольких точках, связывая все позвонки змеи. Также от двух до четырех мышц связывают друг с другом ребра. Такой сложный мышечный скелет помогает змее легко и точно манипулировать физическими объектами.
Кстати, змеи легко обращаются со своими ребрами. Например, они могут раздвигать их в разные стороны, растягивая собственное тело, чтобы проникать в самые узкие щели или даже планировать.
Олег Шумаков обратил внимание также на особенности внешнего покрова тела змеи. У этих рептилий живот покрыт плоскими роговыми пластинами, накладывающимися друг на друга. Количество пластин равно количеству позвонков змеи. Они соединены с ребрами.
Фактически змея состоит из набора схожих сегментов: позвонок, два ребра, окружающие мышцы и роговая пластина на животе. По словам Олега Шумакова, передвигается змея буквально на роговых пластинах, слегка приподнимая себя на них, как на закрылках самолета. Такая структура позволяет цепляться за мельчайшие неровности поверхности. Герпетолог сравнил этот способ передвижения с ходьбой многоножки. С помощью ребер и пластин змеи могут двигаться практически прямо, не изгибая тело. Этот способ движения называется «гусеничным».
Таким образом, чисто с точки зрения физического передвижения змеи отличаются значительной проходимостью. Пластинами они могут цепляться за поверхность и двигаться, например, по вертикальным стенам. Кроме того, рептилии очень гибкие и легко адаптируются к форме и ширине любых проходов и лазов.
Учитывая все вышесказанное легко догадаться, как появилась идея сделать похожих на змей роботов. Концепция пришла из Японии, которая исторически страдает от землетрясений и связанных с ними разрушений. Местные инженеры решили, что змеевидный робот сможет с наименьшими рисками добираться до оказавшихся под завалами людей, диагностировать их состояние, доставлять еду и питание.
Впоследствии таких роботов предлагали использовать как «живую» оснастку для строительной техники, малоинвазивных медицинских операций, при которых две «змеи» будут производить манипуляции прямо в теле пациента, и мониторинга состояния самых разных трубопроводов. В России ключевым фактором, повлиявшим на интерес к технологии, стал именно последний. Об этом рассказал Олег Шмаков. Он объяснил, как инженеры создают железных змеев на примере своих собственных робототехнических исследований.
В 70-е годы прошлого века японские специалисты доказали, что движение змеи имеет волновой характер. Сделали они это с помощью технологии Motion capture («захват движения»). Первые попытки повторить змеиную «ходьбу» предпринимались с помощью соединенных последовательно моноколесных блоков. Однако такой метод имеет недостатки, в частности, связанные с низкой проходимостью и ненадежностью модели, а также наличием всего одной степени свободы.
Одной из первых была решена проблема подражания позвоночнику змеи. Для этого были использованы карданные шарниры, имеющие две степени свободы. При этом до сих пор сохраняется вопрос габаритов, так как робот, состоящий из 10–40 шарниров, сопоставим по длине со змеей, только в теле которой насчитывается около 400 позвонков. По словам Олега Шмакова, с учетом современного развития науки и техники это — предельное значение.
Чтобы повторить движения сильно сегментированного скелета таким небольшим количеством сочленений, необходимо «разбить» змею на карданные шарниры. Змеевидный робот перемещается, используя бегущую пространственную волну, которую нужно разложить в вертикальную и горизонтальную плоскости. После этого высчитывается шаг для каждого шарнира.
С технической точки зрения для перемещения такого робота необходимы три точки опоры. Они находятся в условных вершинах синусоиды. В этих точках при моделировании «змеи» устанавливаются виртуальные колеса. Меняя параметры пространственной волны, инженер меняет положение этих колес, их диаметр и угол поворота. Этот подход позволяет техникам интерпретировать принципы движения живой змеи.
Кроме того, появляется возможность принципиально отказаться от использования реальных колес. Их место, грубо говоря, занимают локомоционные моды, подражающие реальной рептилии. Кстати, есть среди них и два особенных именно для роботов — винтовой и спин. Первый позволяет машине эффективно двигаться внутри трубопроводов, а второй — просто «катиться колбаской» по плоскости, достигая максимальной скорости при минимальном энергопотреблении.
Умение робота двигаться самыми разными способами дает ему широкие возможности для преодоления препятствий. Территория изучается, делится на отрезки, и для каждого отрезка предусматривается свой локомоционный мод.
Сквозь всего робота проходит шина данных, из которой каждый шарнир берет необходимую именно ему информацию. При этом есть и общий канал, который отдает информацию всем шарнирам сразу. Таким образом удается сохранять работоспособность «змеи» в случае выхода из строя одного из шарниров.
Олег Шмаков также обратил внимание на интересный момент: «змея» ползет тем лучше, чем больше в ней люфта. Из-за этого растет адаптивность устройства.
Серьезной проблемой остается отсутствие у робота головы и хвоста, как у живой рептилии. В первую очередь, из-за этого возникают сложности с размещением датчиков и камер. На шарнире они всегда будут находиться в движении. Еще один вопрос — энергоснабжение «змеи». Олег Шмаков в первых опытах «кормил» своего робота через кабель, однако последний серьезно ограничивает возможности для использования машины. Современные «змеи» могут двигаться автономно за счет встроенных батарей. Однако это ограничивает возможный диаметр устройства.
Технологии, применяемые для создания змеевидных роботов, также ложатся в основу гиперизбыточных манипуляторов. Эти устройства могут работать с инструментом в сложных и труднодоступных местах.