Антропоморфные роботы и что с ними не так

Во вторник 27 августа на Международную космическую станцию в рамках эксперимента был доставлен первый российский антропоморфный робот Skybot F-850 (FEDOR). Программа работы с ним не отличается размахом. Она рассчитана на двое суток, и уже 6 сентября Skybot F-850 должен вернуться на Землю. Глава госкорпорации Роскосмос Дмитрий Рогозин считает антропоморфных роботов очень перспективным направлением и останавливаться на этом эксперименте не намерен. Однако с его точкой зрения можно поспорить.

В первую очередь, следует разграничить два типа аппаратов – роботы и манипуляторы. Роботы способны работать самостоятельно, а вторые каждое действие выполняют по команде оператора. Несмотря на то, что Skybot F-850, как заявляют разработчики, обладает некоторыми элементами автономности, в целом он все-таки относится к манипуляторам.

Идея антропоморфности – т. е. повторения функционального устройства человеческого тела – предполагает, что такие аппараты смогут быть универсальными. Они не потребуют адаптации под себя рабочей среды и инструментов. Кроме того, в случае манипуляторов, таких как Skybot F-850, дополнительным преимуществом, как считается, будет упрощенное управление: оператор надевает костюм или экзоскелет, считывающий его движения, и манипулятор их повторяет.

В действительности, увы, на практике последний пункт теряет смысл. Специалисты, занимающиеся захватом движений (mocap, motion capture) прекрасно знают, что тело человека можно описать набором жестких костей, соединенных шарнирами, только с определенной погрешностью. Мы состоим не только из костей, но также из мышц и кожи. Кожа, на которой закреплены датчики, может растягиваться и сжиматься, и эти движения не обязательно четко совпадают с движениями костей. Кости в суставах тоже соединены не строго концами, и, в отличие от шарниров манипулятора, поворачиваются не в идеальной плоскости. Кроме того, кости плеча и предплечья (а также ног) могут скручиваться. Даже с использованием самых современных технологий невозможно добиться точного воспроизведения движений человека.

Захват движений является отдельной проблемой. Угловые датчики, применяемые для захвата движения в экзоскелетах, не идеально точны и требуют калибровки, а точность калибровки, в свою очередь, не может быть слишком велика. Например, если мы попросим оператора принять «Т-позу» (стойка вертикально с прямой спиной и руками, вытянутыми в стороны), погрешность калибровки будет измеряться сантиметрами.

При построении конечностей применяют два подхода: прямая и обратная кинематика. Об обратной кинематике речь пойдет ниже, но в первом случае мы определяем углы поворота плеча, предплечья и кисти (в случае руки) оператора, а потом поворачиваем шарниры манипулятора, чтобы установить их в аналогичные позиции. Легко посчитать, что с длиной руки в 60 см ошибка определения угла поворота плеча в 2 градуса сдвинет кисть манипулятора на 3 см в сторону. К ним добавится ошибка определения ориентации предплечья. С учетом неточности калибровки, общая погрешность при трансляции положения кисти с легкостью превысит 10 см. На некоторых фотографиях Skybot F-850 с МКС хорошо видно, что положение рук Александра Скворцова в экзоскелете не соответствует положению рук 3D-модели манипулятора.

Свои сложности есть и с пальцами. Современные механические манипуляторы очень далеки от того, чтобы передать сложную подвижность руки. Обычно пальцы у них имеют одну степень свободы (поворачиваются вокруг одной оси), тогда как у пальцев человека две степени свободы. Даже на современных бионических протезах используются шарниры с одной степенью свободы – более простые и надежные. Кроме того, сама ладонь человека не является жесткой. Она может сгибаться, менять форму, охватывать и сжимать находящийся в руке инструмент.

Еще одна проблема заключается в том, что люди бывают разного роста и размера. Если рука манипулятора длиннее руки оператора, то, даже с идеально точным определением и воспроизведением положения костей, она будет двигаться иначе. Когда оператор коснется пальцем своего носа, манипулятор ткнет пальцем в воздух: чтобы коснуться носа, ему надо сгибать плечо и предплечье на другие углы.

Логичным решением некоторых из этих проблем становится обратная кинематика. Этот подход предполагает, что мы определяем положение в пространстве последнего узла в цепочке (т. е. кисти), а затем поворачиваем предыдущие узлы (плечо и предплечье) на те углы, которые необходимы для попадания кисти в заданную точку. В этом случае мы отходим от прямого управления, т. е. манипулятор уже не будет досконально повторять движения оператора. Логичным следующим шагом для такого аппарата станет увеличение длины «руки», чтобы гарантировать работоспособность даже с самым длинноруким оператором. Но в этом случае механизм управления при помощи захвата движений станет фактором, искусственно ограничивающим возможности манипулятора, и от него ради повышения эффективности системы лучше отказаться. А сам аппарат уже нельзя будет считать антропоморфным из-за нарушения пропорций тела.

Это не все проблемы манипуляторов. Работа с инструментами подразумевает обратную связь. Силу, которую надо приложить к отвертке для откручивания болта, мозг определяет не столько по изображению из глаз, сколько по сопротивлению, которое чувствует рука и которое распространяется на всё тело. Оператор должен чувствовать нагрузку от приборов и оборудования, чтобы успешно и эффективно управлять манипулятором, но на нынешних технологиях это реализовать невозможно.

Способность человекоподобного робота работать в человеческой среде и использовать человеческие инструменты тоже не обязательно оправдывает создание антропоморфных аппаратов. В действительности, для достижения этих целей реализовать нужно три системы: систему перемещения, манипуляторы с пальцами и систему получения информации (камеры, датчики глубины). В случае работы на Земле, камеры должны быть расположены приблизительно на уровне человеческой головы, и аппарат должен уметь перемещаться по неровной местности, по ступенькам, забираться по лестнице и садиться в автомобиль. Для решения этих задач ноги (и руки на вспомогательной роли) подходят хорошо, но это не значит, что нельзя придумать более совершенный механизм. В невесомости все иначе: космонавты на МКС практически не используют ноги. А рабочая среда на Луне или Марсе будет сильно отличаться от земной.

Общая автоматизация техники также снижает требования к роботу. Например, умение управлять автомобилем теряет смысл, если автомобили начинают сами собой управлять. Аналогичным образом, проще и дешевле научить лунный транспорт перемещаться автономно, чем закладывать в робота программу управления транспортом через интерфейсы, предназначенные для человека. По этой же причине Skybot F-850 не готовили к управлению пилотируемым кораблем «Союз». Вместо этого сам корабль выполнил полет к МКС в автоматическом режиме.

Если попробовать представить «идеальный» антропоморфный робот для работы в невесомости, то он превратится в «паука» с набором манипуляторов значительной длины, из которых часть используется для перемещения по поверхности или внутри космической станции, а часть – для работы с инструментами. Человекоподобный корпус такому аппарату не нужен. На Луне или Марсе этот аппарат должен быть помещен на подвижную платформу, и манипуляторы для перемещения ему не понадобятся.

Манипулятор не должен пытаться полностью повторить человеческую руку, т. к. работать с обычными инструментами все равно не сможет либо сможет малоэффективно. Для выполнения работ на внешней поверхности МКС достаточно реализовать функции отвертки и нескольких других инструментов, а также и возможность захвата объектов разной формы и размеров.

К сожалению, пока человечество не научилось создавать полностью автономных роботов, однако автоматизировать отдельные задачи при помощи технологий машинного обучения у инженеров уже получается. И это можно использовать для создания «умных» космических манипуляторов. Такой аппарат сможет по команде с Земли переместиться в заданную точку на поверхности станции. Затем оператор будет последовательно выдавать команды на снятие крышки, откручивание болтов, перемещение объектов, указывая, какую операцию и с какими объектами надо выполнить, но не управляя напрямую перемещением «рук» и работой приборов. Этим аппарат будет заниматься сам, ориентируясь на заложенную модель космической станции и данные со своих сенсоров.