Шагающие роботы¶

Шагающие роботы — класс мобильных роботов, перемещающихся на конечностях (ногах), имитирующих походку живых существ. В отличие от колёсных и гусеничных платформ, шагающие роботы способны преодолевать неровный рельеф, лестницы, завалы и другие препятствия, недоступные для транспортных средств на колёсах. Ключевая особенность такого движения — необходимость активного управления равновесием: в любой момент опорная нога должна удерживать центр масс машины над площадью опоры.

¶История развития

¶Ранние конструкции

Первые механические шагающие устройства появились ещё в XIX веке. В 1893 году профессор Иллинойсского университета Уильям Клемент Уокер создал «Титана» (Titan) — четырёхметровую механическую фигуру с паровым двигателем, способную делать несколько шагов. В 1920-х годах японский инженер Гэндзи Камо разработал серию «катти-коки» — автономных механических игрушек, приводимых в движение часовым механизмом и имитировавших ходьбу.

¶Электронная эра

Существенный прогресс наступил в 1960-х годах с развитием вычислительной техники. В 1966 году в Массачусетском технологическом институте был создан электронный робот Shakey, хотя он перемещался на колёсах. Первые полноценные шагающие электронные платформы появились в Японии: в 1968 году инженеры из Университета Васеда представили робота WABOT-1 — гуманоида с двумя ногами, двумя руками и системой зрения, способного ходить с частотой около одного шага в 5 секунд.

В 1980-е годы в США и Японии развернулись программы создания шагающих роботов для военных нужд. В 1986 году DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) запустило программу «Walking Truck» и проекты по созданию шагающих платформ для перевозки грузов по пересечённой местности. В 1989 году компания Boston Dynamics основана не была — она появилась лишь в 1992 году, но именно в 1990-е годы в её лабораториях начались работы над динамическими шагающими роботами.

¶Устройство и принципы работы

¶Механика

Современные шагающие роботы строятся по трём основным схемам:

Ноги робота состоят из звеньев, соединённых приводами — обычно электромоторами с редукторами, реже гидравлическими или пневматическими актуаторами. Каждый сустав оснащён датчиками положения (энкодерами), а корпус — инерциальными датчиками (акселерометрами и гироскопами), формирующими сигнал для системы управления равновесием.

¶Алгоритмы управления

Управление ходьбой — одна из сложнейших задач робототехники. Существует два подхода:

• Статическая устойчивость — центр масс машины всегда проектируется внутрь площади опоры. Реализуется на медленных роботах с большим запасом устойчивости (например, шестиногие платформы).
• Динамическая устойчивость — робот может выходить за пределы площади опоры, компенсируя это инерцией и активным переносом массы. Так ходят гуманоиды и четырёхногие роботы в быстром режиме.

Планирование траектории ног выполняется по алгоритмам «зебры» (чередование опорных фаз) или по методам модели предиктивного управления (MPC), которые на несколько шагов вперёд рассчитывают оптимальные траектории с учётом динамики системы.

¶Применение

¶Военная и промышленная сфера

Четырёхногие роботы вроде Boston Dynamics BigDog (проект закрыт в 2015 году) разрабатывались как «роботы-мулы» для армии — для переноски снаряжения по пересечённой местности. В России аналогичные исследования ведутся в рамках программ по созданию автономных платформ для военных и спасательных задач.

¶Служебные и исследовательские платформы

Boston Dynamics Spot, представленный в 2019 году, применяется для инспекции промышленных объектов, обследования опасных зон, охраны территорий. Четырёхногая конструкция позволяет ему подниматься по лестницам и перемещаться по строительным площадкам.

¶Гуманоиды

Японская компания Honda представила в 2000 году робота ASIMO — гуманоида ростом 130 см, способного ходить, бегать, подниматься по лестницам и взаимодействовать с людьми. Проект был свёрнут в 2022 году, но наработки легли в основу современных гуманоидных роботов. В России разработкой гуманоидов занимается ряд научных центров, включая Институт проблем механики РАН и компании, участвующие в национальной программе робототехники.

¶Современные тенденции

Современные шагающие роботы становятся всё более автономными благодаря развитию машинного зрения, алгоритмов глубокого обучения и вычислительных мощностей на борту. Компания Unitree Robotics (КНР) выпускает доступные четырёхногие платформы, а в 2023–2024 годах на рынке появились относительно недорогие гуманоиды, способные к самостоятельному передвижению. Одновременно ведутся работы над роботами с гибкими (мягкими) конечностями, повышающими проходимость и безопасность взаимодействия с окружением.

Источники:

• Сборник трудов Международного симпозиума по робототехнике (ISR)
• Монография «Биомеханика ходьбы и бега» (пер. с англ.)
• Публикации Boston Dynamics (Technical Reports)
• Журнал «Робототехника и техническая кибернетика»
• Материалы IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)