Как сделать робота

Сергей Бобровский

По оценкам международной ассоциации производителей роботов RIA, рынок автономных аппаратов в Северной Америке в 2007 г. достиг 1 млрд. долл., но в связи с кризисом увеличиваться пока не будет. Общемировой спрос на промышленные роботы составляет 5 млрд. долл., схожие суммы — по разным оценкам от 1 до 5 млрд. — приходятся на нишу массового спроса (высокотехнологичные игрушки) и военные структуры.

Создание автономного устройства — сложная инженерная задача, требующая хороших знаний не только в области программирования, но и в электронике и электромеханике. Смотр соответствующих инструментов состоялся в ноябре на конференции разработчиков роботов в Сан-Франциско. Открывая ее, директор Стэндфордской лаборатории по искусственному интеллекту Себастьян Тран напомнил о недавних успехах в гонках роботов, организованных военным агентством передовых исследований США DARPA. Они прошли в пустыне и в городе, где аппараты продемонстрировали хороший навык движения как в потоке машин, распознавая сигналы светофоров, так и на сложно пересеченной местности. Тран пообещал скорое появление самоуправляемых автомобилей, основанных на подобных технологиях. А Михаэль Бруч, руководитель подразделения по автономным устройствам центра космических и морских систем ВМС США SPAWAR, посетовав на нехватку промышленных решений для обеспечения безопасности людей и физических объектов, а также автономных аппаратов для исследования пещер, перевозки грузов и заправки самолетов, выразил надежду, что представленные продукты помогут решить часть этих проблем.

Какие же технологии сегодня предлагаются рынком для разработчиков? Готовых модулей приличного качества, решающих конкретные задачи (например, распознавание объектов, планирование действий, построение карт и управление манипуляторами), уже достаточно. На первый план выходят вопросы интеграции доступных коммерческих продуктов и академических наработок, упрощения и удешевления создания и эксплуатации роботов. Существенным подспорьем в деле снижения себестоимости разработок и подготовки квалифицированных кадров становятся, как обычно, общедоступные проекты и продукты, ориентированные на обучение.

Свободные и учебные решения

Исследовательская лаборатория Willow Garage в сотрудничестве с университетом Стэнфорда представила ПО для персонального робота PR2 и проект Robot Operating System (ROS), доступный под лицензией BSD. Проект ROS реализует системный уровень управления роботом, приближенный к аппаратному, а на его основе развиваются прикладные пакеты: библиотека машинного зрения OpenCV; программируемая с помощью декларативного языка TREX система планирования действий и организации эффективного поведения, управляемого целями и событиями; сервер управления Player и другие технологии, используемые в десятках научных и прикладных проектов по всему миру (к сожалению, в списке пользователей ROS нет российских организаций).

Свободная система Esper для платформ Java и .NET ориентирована на бизнес-проекты, где требуется интенсивная обработка большого числа сообщений. Ее разработчики предложили использовать Esper и для управления роботом — ведь при этом необходимо быстро реагировать на множество событий.

Компания Systronix представила пакет для обучающих и исследовательских целей. В него входит шасси TrackBot и набор беспроводных датчиков, позволяющие реализовать функциональность на уровне коммерческих роботов, которые стоят на порядок дороже. Взаимодействие периферийного оборудования обеспечивается технологией небольших программируемых объектов Sun SPOT (см. www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=106411).

Коммерческий софт

Национальная лаборатория штата Айдахо разработала систему управления Robot Intelligence Kernel со множеством подключаемых модулей, которая используется в десятках типов коммерческих и военных роботов. Она также обеспечивает автономное поведение и взаимодействие аппаратов, автоматизирует задачи поиска, навигации и обнаружения объектов. Схожий продукт Karto интегрирует 30-летний опыт компании SRI International по навигации и построению цифровых карт для мобильных роботов. Фирма National Instruments предлагает графическую среду проектирования LabVIEW, с помощью которой создано немало роботов, а также средства построения программируемых автономных устройств на базе конструктора LEGO.

Перспективные технологии

Скандинавский институт роботов Irobis демонстрировал новую программную платформу для создания автономных аппаратов самых разных типов — специализированных и универсальных, колесных и шагающих. В комплект входит система эволюционного вывода Brainstorm, способная автоматически определять структуру и принципы функционирования новых подключаемых датчиков, получать метаинформацию о правилах их работы, самообучаться управлению ими и затем строить модель окружающего мира в терминах информации, формируемой этими датчиками. На ее основе созданы аппараты, самостоятельно научившиеся ходить, взбираться по ступенькам и манипулировать предметами. Первыми интерес к разработке проявили шведские военные. Еще одно самообучающееся решение выпустила компания General Vision. Распознавание шаблонов — ключевая технология машинного обучения, однако имеющиеся продукты не очень эффективны и дороги для развёртывания и эксплуатации. Версия General Vision представляет собой аппаратную реализацию соответствующих алгоритмов на базе нейронных сетей.

Технологии фирмы Autonomous Solutions помогают роботам понимать структуру окружающего трехмерного пространства, выявлять отдельные объекты и распознавать их окраску с учетом освещенности. Особый акцент сделан на визуализации пространственной обстановки, воспринимаемой роботом, на плоском мониторе оператора-человека и удобном интерфейсе, позволяющем руководить аппаратом с помощью высокоуровневых команд.

Аппаратные решения

Многие выступавшие на конференции докладчики отмечали тенденцию к миниатюризации практически всех аппаратных элементов — контроллеров, чипов, моторов и датчиков, причем к ним предъявляются и дополнительные требования по высокой производительности и малому потреблению энергии. Например, рынком серьезно востребованы быстро и точно работающие миниатюрные двигатели для рук и пальцев роботов и других сложных манипуляторов с большим числом степеней свободы. Классические устройства (соленоиды, шаговые двигатели и т. п.) подходят плохо, и один из альтернативных вариантов — ультразвуковые пьезоэлектрические моторы — демонстрировала фирма New Scale Technologies. Ее двигатели меньше самых крохотных электромагнитных моторов подобного класса, имеют размер 1,8×1,8×6,0 мм, отличаются простой конструкцией, не требуют редуктора и собраны всего из семи частей.

Качество навигации современных роботов сильно зависит от производительности системы позиционирования. А точность определения координат и скорости движения критически важна для обеспечения работы быстро действующих аппаратов. Доступные коммерческие системы позиционирования весьма сложны в эксплуатации, дороговаты или малоэффективны, хотя ожидается появление на массовом рынке доступных и мощных навигационных систем из авиакосмической промышленности. Пока же одно из альтернативных решений на базе микроэлектромеханических гироскопов предложила компания Microinfinity. Ее система локализации объекта и одновременной привязки его к цифровой карте работает с применением дешевых гироскопов и вспомогательных измерителей расстояния. Кроме того, разработчики обещают возобновить использование пневматических моторов, точность работы которых сложно обеспечить на высоком уровне, однако в этом поможет современный “умный” софт.

Лучшие продукты

На конференции были отмечены лучшие решения для разработчиков. Среди них выделим следующие:

— аппаратно-программный комплекс MiniBot немецкой фирмы qfix, ориентированный на образовательные цели. Он включает платы, контроллеры, датчики и несколько готовых платформ для совершенствования роботов — например, команду “футболистов”;

— ПО промежуточного слоя компании Urbi, позволяющее организовывать взаимодействие роботов и управление ими с помощью технологий параллельного и событийно-управляемого программирования. Для этого предлагается распределенная компонентная архитектура с интерфейсами C++/Java/Matlab, а также графическая среда разработки для описания поведения роботов;

— свободная среда Open JAUS 3.3, реализующая набор стандартов JAUS (см. “JAUS: стандарт на разработку военных и мирных роботов”), который используется во всех робототехнических программах МО США.

Одним из спонсоров конференции стала корпорация Microsoft, недавно обновившая комплект разработчика Microsoft Robotics Studio (см. www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=116248). Он может быть расширен свободно доступной системой машинного зрения и обработки изображений RoboRealm.

Взбунтовавшегося робота удастся легко отключить

В ближайшие годы ожидается рост интереса к роботам со стороны не только производственных, но и социальных структур — клиник, школ и т. п. Это может революционизировать нашу повседневную жизнь, отметил на конференции Майя Матарик, директор центра роботов и встраиваемых систем университета Южной Калифорнии. Японское министерство экономики, торговли и промышленности уже выделило 17 млн. долл. на поддержку проектов по разработке роботов, способных самостоятельно принимать решения в социальном окружении. Они появятся в середине следующего десятилетия. В этом направлении работает, например, частный японский консорциум, состоящий из семи компаний и подразделения токийского университета, обещая к 2013 г. массовое появление в больницах устройств, чистящих помещения и убирающих постели, к 2016-му — способных помогать пожилым пациентам вставать с постелей, а медперсоналу — аккуратно переносить людей. А компания Toyota обещает до 2020 г. создать робота-поводыря.

Подобные устройства обязаны иметь сенсоры, не допускающие столкновения с людьми и препятствиями. Такие роботы будут сделаны из мягких материалов и станут оборудоваться средствами легкого отключения — например, большой красной кнопкой.

Статья опубликована в PC Week/RE, 27.11.2008 г.
Статья помещена в музей с разрешения автора 30.11.2008