Информационная система управления роботом с использованием технологии IoT интернет-вещей

А.В. Поповкин,

ст. преп., microsoftintel@yandex.ru,

С.В. Скородумов,

доц., к.т.н., skorodum@gmail.com,

МАИ, г. Москва

Здесь представлен краткий обзор развития одного из направлений робототехники в связке с новым трендом интернета вещей (Internet of Things, IoT), что предоставляет новые возможности для управления сложными динамическими системами благодаря передаче данных от датчиков первичной информации в облако. В работе [1] показано, что области применения технологии IoT достаточно широкие – это и космическая робототехника, медицинская робототехника, образовательная робототехника и др.

В космической робототехнике представляют интерес антропоморфные робототехнические системы для обслуживания существующих и перспективных орбитальных станций для выполнения работ в открытом космосе. Появляется необходимость использования принципов биологической обратной связи (БОС) применительно к робототехническому комплексу (РТК) [2]. Предполагается применение роботов нового поколения для выполнения монтажных и ремонтных работ, а также проведения научных экспериментов в открытом космосе. Управление в этом случае, предполагается удалённо с использованием специальных датчиков, встраиваемых устройств микроэлектроники (ВУМ) и камер высокой точности, как показано на рис.1.

Рис. 1 Схема удалённого управления РТК

Сенсорная система РТК должна передавать информацию с датчиков, после чего необходимо осуществлять сбор данных с последующей обработкой. Затем передача данных от РТК производится к оператору. В итоге, необходимо создать «эффект присутствия» для оператора.

Для реализации «эффекта присутствия» предлагается использовать принцип БОС, технологии облачных вычислений и «интернета вещей». Оператор использует устройства копирующего типа (УКТ», включающие в свой состав сенсорные системы, определяющие его положение в пространстве.

Данные передаются в облако, обрабатываются и преобразуются в движение РТК, используя сервоприводы и другие исполнительные механизмы, как показано на рис. 2.

Рис. 2 Архитектура клиент-серверного управления «Аватаром» посредством облачного взаимодействия

Таким образом, становится возможным выполнение технологических операций с эффективностью, сопоставимой с действиями космонавта. Также, обеспечивается силомоментная связь для оператора. В дальнейшем предполагается работа антропоморфной робототехнической системы (АРТС) в автономном режиме.

Управление реализуется посредством экзоскелетного интерфейса телеуправления андроидом, который по своей сути представляет робота телеприсутствия. Костюм телеприсутствия представляет собой экзоскелет внутри 3D-кардана (пересечение осей у пупка) [3] с приводом и датчиком угла в каждой оси с 2D-датчиком вертикали в зажимной раме туловища, а также использование кибершлема. 3D-кардан с приводами передает пользователю векторы сил, ускорения, моменты, действующие на тело «аватара» в 3D пространстве. Двухсторонняя силомоментная отрицательная обратная связь (силомоментные каналы) костюма телеприсутствия передаются в обе стороны по формуле:

(1)

где - углы (перемещения), - угловые скорости (скорости перемещения), M - силы (моменты), F - скорости изменения сил (скорости изменения моментов). При работе через интернет трафик силомоментных каналов костюма телеприсутствия не превышает 20Кб/сек, что меньше трафика видеоканала. Костюм телеприсутствия по своей сути представляет электродистанционный интерфейс экзоскелета подвешенный внутри 3D-кардана, как показано на рис. 3.

Рис 3 Электродистанционный интерфейс экзоскелета

Робот, не наделённый качественным искусственным интеллектом, не способен самостоятельно выполнять определённые виды работ в космическом пространстве. Поэтому остаётся два метода управления космическим роботом:

· посредством клавиатуры компьютера, кнопок и джойстиков;

· с помощью режима копирующего управления.

Второй способ управления до 10 раз быстрее и эффективнее позволяет совершить конкретные действия в космосе, чем первый. Это связано с тем, что человек с самого рождения развивает свои двигательные навыки и естественно ощущает положение своего тела в пространстве. Именно поэтому ему будет намного удобнее спроецировать эти ощущения на человекоподобного робота и интуитивно понимать, где находятся его конечности. Однако для этого важно, чтобы робот имел антропоморфное строение.

В копирующем режиме оператор сможет дистанционно управлять головой и конечностями своего механического «аватара». А благодаря современной электронике также может прекрасно видеть, что окружает робота в космическом пространстве при проведении технических работ на станции.

Чтобы у человека не возникала «морская болезнь» при несоответствии видеоизображения, полученного от робота, и сигнала, который посылает вестибулярный аппарат, необходим особый механизм подвеса. Тогда оператор, подвешенный в пространстве, сможет иметь тот же наклон относительно горизонта, что и корпус робота в космическом пространстве.

Пока не решена главная проблема: задержка управления «аватаром», вызванная недостаточным быстродействием приводов экзоскелетного интерфейса. Задержка управления представляет собой время разгона приводом части машины до максимальной скорости и последующего торможения до нуля с учетом упругих деформаций и люфтов машины. Для реверсивных машин (к ним относится экзоскелетный костюм) задержка управления – это половина времени цикла «разгон – торможение – реверсивный разгон – торможение» с учетом упругих деформаций, люфтов машины. Разработка приводов костюма телеприсутствия усложняется также тем, что присутствует задержка работы приводов андроида.

Рис. 4 Перчатка-экзоскелет Festo

Для передачи движения кисти руки и пальцев руки от оператора к андроиду, в работе предлагается использовать технологию Intel RealSense [4]. Это устройство со своим графическим процессором, ИК сенсором глубины, цветовой камерой, ИК лазером. Графический процессор представляет собой микрочип для первичной обработки потока данных в таких алгоритмах, как расчет глубины, фильтры помех и т.п. Встроенный графический процессор существенно разгружает центральный процессор и ускоряет работу камеры в целом. Простая цветовая камера передает картинку в плоскости. Но здесь стоит задача определить, что левая рука находится ближе к камере, чем правая. Датчик глубины позволит «понять» машине, используя специальные алгоритмы распознавания образов, что руки находятся на разных расстояниях. У Intel есть специальный набор для разработчиков SDK, который включает в себя модуль отслеживания рук. И технология Intel RealSense позволяет отслеживать не только ладони, но и пальцы, и даже фаланги пальцев, до 22 точек на каждой кисти.

В настоящее время, задача трекинга кистей рук и пальцев рук реализуется посредством использования перчаток-экзоскелетов, аналогичных показанной на рис. 4.

Оператор может использовать перчатку-экзоскелет для управления кистью андроида силомоментной двухсторонней отрицательной обратной связью по радиоволнам или по связи двумя встречными модулированными лазерными лучами. Обратная связь с манипулируемым объектом может достигаться путем контролируемых дисковых тормозов в отдельных суставах пальцев устройства, которые физически передают усилие на один или более реальных пальцев пользователя. [5]

Одним из примеров реализации космического робота-аватара является Robonaut, разработанный совместно NASA, DARPA и General Motors. Робот представляет собой человекоподобную фигуру, голова которой выкрашена золотой краской, торс – белый. На руках у робонавта по пять пальцев с человекоподобными суставами (рис. 5). Он умеет писать, нажимать кнопки и переключатели на панели управления, захватывать и складывать предметы, а также держать тяжёлые вещи, такие как гантель 9 кг.

Рис. 5 Робот-астронавт Robonaut Рис. 6 Робот-космонавт SAR-401 в режиме «аватара»

Робот был запущен вместе с космическим челноком Discovery на МКС с целью исследования приспособляемости к нулевой гравитации и поведения в условиях невесомости. «Зрение» Robonaut представляет собой две камеры, которые передают всё, что видит робот, удалённому оператору. Для большей глубины восприятия используется дополнительная ИК-камера в ротовой части робота, аналогичная той, что есть в Intel RealSense. Его «мозг» состоит из 38 мощных компьютерных процессора архитектуры RISC типа PowerPC, аналогичные тем, что использовались в компьютерах Apple. Руки Robonaut гибкие, снабжены датчиками касаний, обладают силой захвата в 2,5 кг и могут двигаться со скоростью до 2 м/с, движения плавные [6].

Отечественная разработка по данному направлению исследований – робот SAR-401, работающий по принципу «аватара», показан на рис. 6.

Он представляет собой антропоморфный робот-космонавт, разработанный НПО «Андроидная техника» по заказу Роскосмоса для работы на Международной космической станции в качестве помощника космонавта. Основная цель исследования и разработки – заменить человека роботом телеприсутствия для снижения риска жизни в опасных для него местах, в частности, к таковым относится и открытый космос. Использование планируется для выполнения сервисных и аварийных работ, как вне космической станции, так и внутри.

SAR-401 оснащён датчиками, которые позволяют передавать силомоментные ощущения оператору наземного центра управления. Для работы в далёком космосе, в случае, когда связь будет затруднена, будут использоваться микропрограммы по супервизор-технологии, когда роботу задаётся вектор движения или ставится задача, а робот получив данные сам принимает решение, как выполнять поставленную задачу. Кроме того, в «голову» SAR-401 встроят программы автоматической работы на различных режимах. В отличие от Robonaut отечественный робот сможет передавать оператору не только изображение и звук, но и тактильные ощущения. Вес робота составляет 144 кг, способен поднимать вес до 10 кг. В ближайшие годы SAR-401 планируется отправить на МКС, а в дальнейшем – на Луну и Марс [7].

Действующим в данный момент роботом на МКС является двурукий манипулятор Декстр. Гибкий манипулятор специального назначения способен выполнять действия за бортом станции без необходимости выхода человека в открытый космос. Декстр является канадской разработкой. 4 февраля 2011 года, ранним утром, когда экипаж ещё спал, Декстр выполнил своё первое задание, состоявшее в распаковке двух частей японского автоматического грузового корабля Kounotori 2 [8].

Декстр представляет собой туловище без головы, оснащенное двумя крайне подвижными руками длиной в 3,35 м. В отличие от российского SAR-401 и американского Robonaut не является человекоподобным роботом. Трёх с половиной метровый корпус имеет ось вращения в «талии», как показано на рис. 7.

Корпус с одного конца оборудован захватывающим приспособлением, за который его может ухватить Канадарм2 и перенести к любому орбитальному заменяемому элементу на станции.

Рис. 7 Манипулятор Декстр, управляемый с Земли, выполняет задачи на МКС

С другого конца корпуса имеется исполнительный орган робота, фактически идентичный органу Канадрам2, так что Декстр может быть закреплён на захватывающих приспособлениях МКС или может использоваться для того, чтобы расширять функциональность Канадарм2, который показан на рис. 8.

Обе руки Декстра имеют семь суставов, что даёт им такую же гибкость, как у Канадарм2, в сочетании с большей точностью. В конце каждой руки находится система, названная Orbital Replacement Unit/Tool Changeout Mechanism (Механизм замены инструментов). В неё входят встроенные цепкие захваты, выдвижная головка, монохромная телевизионная камера, подсветка, и разделяемый соединитель, который обеспечивает питание, обмен данными и видеонаблюдение за полезным грузом. Внизу корпуса Декстра находится пара ориентируемых телекамер цветного изображения с подсветкой, платформа для хранения инструментов. [9]

Рис. 8 Астронавт Стивен Робинсон, удерживаемый Канадарм2

Такой подход находит сегодня применение в авиации и космонавтике для проведения удаленных и опасных для человека работ. И имеет большие перспективы для проведения работ в открытом космосе (в условиях вакуума, жестких ионизирующих излучений), а также для работы на поверхности других планет. Представленный здесь краткий обзор показывает, что исследования в области космической робототехники расширяют возможности человечества в изучении и освоении космического пространства.

Литература

1. Dave Evans. The Internet of Things How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything [Электронный ресурс], 2011 – Режим доступа: http://www.cisco.com/c/dam/en_us/about/ac79/docs/innov/IoT_IBSG_0411FINAL.pdf

2. Кухтичев А.А., Клёнов Е.А. Носимые устройства микроэлектроники как основа биологической обратной связи системы «ЦифроМед» в авиации и космонавтике // Врач и медицинские технологии, 2015, №3, с. 39-48.

3. Патент 2134193RU А.Я. Стрельцов 1997 г.

4. Новые способы взаимодействия с миром [Электронный ресурс], 2016. – Режим доступа: http://www.intel.ru/content/www/ru/ru/architecture-and-technology/realsense-overview.html

5. Patton, J.& Mussa-Ivaldi, F. Robot-assisted adaptive training: custom force fields for teaching movement patterns. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2004, 51(4), pages 636-646

6. NASA отправило в космос первого человекоподобного робота [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://revolution-in-space.blogspot.com/2011/02/nasa.html

7. SAR-400 Пресс центр НПО «Андроидная техника», НПО «Андроидная техника [Электронный ресурс] (20.02.2012). – Режим доступа: http://npo-at.com/573

8. Dextre Successfully Completes Its First Official Job, NASA [Электронный ресурс], 2011-02-04 – Режим доступа: http://www.nasa.gov/mission_pages/station/expeditions/expedition26/dextre_firstjob.html

9. Proceeding of the International Conference on Intelligent Manipulation and Grasping, Genoa Italy, July 1-2, 6 pages, 2004.