Рука для Терминатора: как создаются манипуляторы для российских андроидов
В 2019 году на робототехническом форуме в Сколково компания «Промобот» представила своего первого робота-компаньона Алекса. Этот робототехнический комплекс новой серии Robo-C обладал красноречивой внешностью, которая наглядно демонстрировала как его достоинства, так и недостатки. В числе последних, несомненно, первое место занимали руки.
Откуда руки растут
Robo-C представляет собой антропоморфный торс, способный взаимодействовать с человеком. Вербальное взаимодействие представить не сложно: робот может говорить самостоятельно и реагировать на реплики собеседника. Но в живом общении значительную роль играют и невербальные способы взаимодействия, жесты и прикосновения. Чтобы повысить антропоморфизм и улучшить восприятие образа робота в качестве живого собеседника, мы должны были оснастить конструкцию функциональными манипуляторами. Проще говоря, стояла задача сделать роботу человеческие руки.
Постоянно имея перед глазами пример, команда инженеров «Промобота» сформулировала для манипулятора перечень функций, параметров и ограничений. Мы решили создавать руку как самонесущую активную конструкцию в корпусе из алюминия, полимерных материалов, АБС и АБС-подобных пластмасс, силикона и полиуретана. Будущую разработку разделили на 5 блоков: плечо, предплечье, локоть, запястье и кисть. Каждая часть должна удовлетворять собственным требованиям к кинематике, например, плечо должно поворачиваться с углом до 90 градусов относительно нормали.
На этой стадии мы не уделяли большого внимания мелкой моторике. Так, план разработки предполагал независимое сгибание только большого пальца, остальные 4 пальца мы решили делать подвижными, но созависимыми.
Помимо технических требований, обрисовался и список требований субъективных. В его формировании принимала участие вся команда компании, включая маркетологов, психологов и дизайнеров. К примеру, специалисты просили выполнить разработку так, чтобы работа конструкции не сопровождалась шумами, а люфты в сочленениях были минимизированы во избежание эффекта тремора. Действительно, андроид с болезнью Паркинсона вряд ли придётся по вкусу пользователю.
Первая кисть кулаком
Действуя по намеченному плану, мы создали прототип манипулятора, имеющий в основе две конструкции: дифференциал в качестве приводного элемента плеча и локтя и прямые передачи на тросах в качестве приводных элементов запястья и кисти. Это было эффектное, но весьма сложное решение, требующее большого количества нестандартных изделий в составе функциональных узлов. Но большое количество уникальных деталей — лишь полбеды. Главной проблемой стала невозможность демонтажа отдельных механических подсборок, из-за чего ремонту конструкция практически не подлежала. Чтобы заменить одну деталь, пришлось бы полностью разбирать весь манипулятор. В будущем, когда роботы будут чинить роботов, это перестанет быть проблемой, но сегодня рядовой пользователь не должен испытывать проблем с заменой отдельных деталей.
А к конструктивным деталям прототип отнёсся, будто к простым расходникам. То, что на чертежах, планах и схемах выглядело надёжным, на практике оказалось подвержено повышенным рискам и нагрузкам. Вопреки расчётам, стальной трос и система роликов испытывали повышенные нагрузки. Из-за износа тросов приводные элементы стали совершать неконтролируемые движения. Из-за них стали изнашиваться конические шестерни, стал появляться люфт в конструкциях. В свою очередь, из-за этого возникли большие сложности с управлением манипулятором в целом. Чтобы просто переместить руку в трёх осях, приходилось учитывать десяток незапланированных дефектов, каждый из которых для автоматизации процессов требовал отдельного набора датчиков и анализаторов.
Прототип оказался настолько грубым, что максимальный промежуток работы конструкции без отказов или поломок составил не более 8 рабочих часов, тогда как техническое задание требовало 3000 часов. Однако «краш-тест» новой руки позволил нам зафиксировать каждый недостаток, чтобы зайти на новую итерацию разработки.
Здравствуй, товарищ андроид
Летом 2021 года инженеры завершили очередную итерацию разработки манипулятора для андроида. Мы переработали практически все конструктивные решения роботизированной руки и внедрили дополнительные требования к конструкции, приводным элементам, сервоприводам и допускаемым к использованию наборам стандартных и нестандартных деталей.
Сегодня тот самый прототип манипулятора можно сравнивать с имеющимися у Алекса руками так же, как можно сравнивать клешню человечка из набора Lego с рукой киношного Терминатора. Мы сменили моторы, моторы-редукторы, сервоприводы. В части аппаратных решений переработали системы размерностей и возможностей на низком уровне. Переписали программные решения и модели управления. Мы создали то, что изначально прописывали в техническом задании.
Что стало ключом к успеху? Как сотрудник компании, скажу: командная работа. Привлекая к работе инженеров специалистов из других отделов и подразделений, мы получали возможность взглянуть на своего робота-компаньона под другим углом, прочувствовать на себе роль рядового пользователя, «выгулять» и опробовать конструкцию до того, как мы её сделаем. Как инженер, могу добавить: ключом к успеху стали итерации. Мы не отгородились от мира расчётами на бумаге. Мы раз за разом разрабатывали новое или обновлённое изделие, совершенствуя достигнутое и обретая новое. Именно готовность к бесконечным итерациям отличает успешную команду от посредственной.
Остановимся ли мы на этом? Ответ, пожалуй, уже дан выше. Мы будем продолжать совершенствовать манипулятор, лицо, кожу, отдельно взятый глаз – всё, что можно улучшить. Потому что это – истинный путь разработчика робототехники. Кстати, сами итерации – вещь не постоянная. Работая над манипулятором, мы получили опыт, который позволил сократить время проработки следующей итерации конструкции с 10 до 4 рабочих недель. Текущий результат такой деятельности уже позволяет при необходимости применять манипулятор в любом другом модельном ряду наших роботов.
Автор: Андрей Васьков