Человеческая рука (вернее, кисть руки) это одно из чудес природы и громадный вызов инженерам робототехникам, которые пытаются её скопировать “один к одному”. Это – сложнейшая конструкция с 29-ю гибкими суставами и тысячами специализированных нервных окончаний, за которыми наблюдает “система управления”, настолько чувствительная, что она может сразу определить, насколько горячий объект, насколько гладкая его поверхность, и даже с какою силой он должен удерживаться.
Неудивительно, что “слепое” копирование кисти человеческой руки – занятие малоперспективное. И все больше и больше, робототехники приходят к мысли, что в данном случае копирование природы не является правильным подходом. Лучшая идея состоит в том, чтобы решить, какие из наиболее важных функций кисти руки должны быть воспроизведены, и как этого лучше всего достичь, пользуясь сейчас доступными технологиями.

Промышленные роботы, конечно, манипулируют предметами уже в течение многих десятилетий. Но они обычно используют самые простые захваты (типа параллельных “челюстей”), которые открываются и закрываются по команде, чтобы схватить, держать, или переместить предмет строго заданной формы, на который они и рассчитаны. Такая “негибкость” (низкая степень адаптации) – не проблема на сборочном конвейере. Но этого не будет достаточно для будущих роботов, разработанных для взаимодействия с людьми в самой разнообразной окружающей обстановке.

Многие исследователи в области робототехники предполагают, что скоро появится новое поколение роботов, “бродящих” вокруг домов, санаториев, фабрик, и т.д. К этим роботам люди будут обращаться с самыми разнообразными просьбами: cварить кофе, принести лекарства или притащить заготовки к цеху. Каждая такая главная полезная функция в свою очередь потребуют реализации множества вспомогательных функций. Например, открытие бутылки потребует, чтобы робот определил размер и форму предмета, правильно схватил её (горлышком вверх) и затем приложил достаточное усилие, чтобы удержать бутылку (но не чрезмерное, чтобы не раздавить её) и достаточный вращающий момент, чтобы открутить пробку. Чтобы удовлетворить эти разнообразные потребности, чтобы приспособиться к огромному разнообразию ситуаций “на лету” захватам робота будет нужна очень высокая степень адаптации и чувствительности.

Поиски универсальной руки для роботов привели к проектам, в которых рука робота точно подражает человеческой руке, и другим, в которых “кисть руки” больше напоминает металлические зажимы. А авторы этой большой статьи работали в течение почти десяти лет над компромиссным решением между этими двумя подходами: “руки”, у которой есть часть ловкости человеческой кисти, но без её большой сложности. Их рука не выглядят человеческой, но она неплохо владеет навыками захвата и управления большого разнообразия предметов во многих задачах.

Следует отметить, что Управление перспективных исследовательских программ (DARPA) весьма заинтересована в создании универсальной (и при этом максимально простой, надёжной и дешёвой) роботизированной руки, для чего придумало ежегодные соревнования между роботами и командами робототехников с приличным кушем в 2 млн. долларов США наличными. Мы уже много рассказывали об этих соревнованиях, поэтому, будем акцентировать своё внимание на технических деталях универсальной роборуки.

В 1980-х робототехники могли конструировать и изготавливать роборуки с тремя или четырьмя пальцами (и противопоставляемым большим пальцем), копируя структуру кисти человеческой руки. У этих рук был футуристический, научно-фантастический вид, и они привлекли большое внимание. Но большинство из них выполняли свои функции не эффективно. Копирование многих суставов человеческой руки увеличило сложность и стоимость человекоподобных роборук. У некоторых моделей было больше чем 30 приводов, каждый из которых приводил в действие только один сустав (и каждый из которых мог внезапно отказать). И, из-за наличия на каждом пальце датчиков осязания с низкой чувствительностью, было трудно скоординировать движения “пальцев” руки между всеми точками контакта пальцев с поверхностью захватываемого предмета.

Так называемые “подприводные” (underactuated) руки – это альтернативный подход к роботизированной манипуляции предметами. Их так называют потому, что в них используется меньше двигателей, чем суставов. Они используют пружины или другие механические связи, чтобы соединить твердые детали (такие как фаланги пальца) и “соединить” в единое целое их движения. Тщательная конструкция этих связей может позволить руке автоматически приспосабливаться к различным формам. Это означает, что пальцы могут, например, “обернуться” вокруг предмета без необходимости активного тактильного контроля. (примечание – это очень похоже на процесс “свёртывания” технической системы).

Авторы статьи были довольны своими предыдущими проектами “подприводной” руки, но они знали, что у предстоит ещё много работы, чтобы их роборука могла выполнить технические требования DARPA. И на это было всего 18 месяцев. Недавно сформированная команда робототехников бросила новый взгляд на конструкцию руки в свете решения определенных задач, поставленных Управлением перспективных исследовательских программ. Как снять со стола тонкий предмет, такой как ключ? Что нужно сделать, чтобы включить электрический фонарь? И робототехники пересмотрели такие фундаментальные аспекты конструкции, как число пальцев, их размещение вокруг основы кисти руки и захват, который может обеспечить кончики пальцев. Остановились на конструкции из 2-х “подприводных” пальцев и противоположно к ним расположенного полностью приводного большого пальца.

Глядя на картинку видно, что “фишки” конструкции руки-захвата заключается в следующем:
— 2 “небольших пальца” могут поворачиваться на угол до 90 градусов, а большой палец – вправо-влево на угол порядка 45 градусов.
— Все пальцы имеют по 2 фаланги, и связаны гибкой пластиной.
— Все пальцы снабжены “ногтями” (далее ясно станет зачем).
Устройство “пальца” захвата показано на рисунке ниже.

Жёсткие основания фаланг пальцев (детали белого цвета) скреплены друг с другом гибкой упругой пластиной (flexure). Через жёсткие основания протянут трос в оболочке (авторы трос назвали “сухожилие”). Эта конструкция шарнирно закреплена на шарнирном соединении с возвратной пружиной (pin joint with return spring). Основания фаланг покрыты эластичными подушечками пальцев (pad), в которую вмонтированы датчики осязания (embedded touch sensors). Трос может изменять свою длину путём его накручивания, например, на вал, вращаемый маленьким электромотором (на рисунке не показаны). К основанию фаланг винтами прикручены “ногти” (nails). При натяжении/укорочении троса, фаланги пальцев движутся друг навстречу другу, чтобы охватить предмет. При ослаблении/удлинении троса, фаланги движутся в противоположную сторону под действием силы упругости гибкой пластины.

Поскольку пассивная адаптация позволяет пальцам руки соответствовать форме предмета, который нужно схватить, нет необходимости контролировать и управлять, как пальцы согнулись в середине. Тем не менее, один из трех пальцев руки должен был уметь нажимать, например, на кнопку на электрическом фонаре. Чтобы достигнуть этого, пришлось дать большому пальцу два независимо управляемых сустава. Для этого, каждая фаланга большого пальца имеет своё “сухожилие”, каждое из которых приводит в действие отдельный электродвигатель. Таким способом можно управлять нижней частью пальца, чтобы поместить его выше кнопки и затем управлять кончиком пальца, чтобы заставить его нажать на кнопку.

В то время как четыре двигателя управляли тремя пальцами, ещё один двигатель позволил пальцам перемещаться в плоскости ладони между двумя конфигурациями (показанными на верхнем рисунке) для различных видов обхвата. Для надёжного схватывания узких предметов, два пальца устанавливаются параллельно на одной стороне ладони, а большой палец- напротив них, чтобы получился закрытый хват. Можно также выполнять захват при помощи всех трех пальцев в треугольной конфигурации. Эта конфигурация позволяет руке захватить большие объекты, такие как баскетбольный мяч.

А “ногти” нужны, чтобы захватывать мелкие или плоские предметы.

Эти различные захватывающие движения помогли роборуке соответствовать всем требованиям к соревнованиям Управления перспективных исследовательских программ.
Следует отметить, что идея “ногтей” оказалась очень полезной. При их помощи роборука научилась справляться с задачами захвата с приподнятием предмета (например, захвата ключа, лежащего на поверхности стола).
Пока что во время соревнований руками (и пальцами) робота управляли члены команды робототехников. Но в будущем требуется, чтобы робот управлял своими захватами автономно. Это значит, что будет необходимо разрабатывать множество датчиков, которые смогут дать роботу смысл понятий формы, веса и гибкости объекта, с которым руки будут обращаться и разработать соответствующее программное обеспечение.

А пока что, чтобы отследить движение пальцев вокруг их цели, был разработан ряд волоконно-оптических датчиков. Они состояли из петли волоконно-оптического кабеля, включенного в резиновый средний сустав и рецепторов-фотодиодов, размещенных в каждой фаланге пальца. Волоконно-оптические кабели излучали свет, которые попадали в рецепторы по-разному в зависимости от того, как сустав согнут. Например, когда сустав согнут под углом 60 градусов, волоконно-оптический свет попадают в рецепторы в различном месте и с различной интенсивностью, чем когда палец согнут под углом75 градусов. Эти данные можно использовать, чтобы “нанести на карту”: где каждый палец покоился во время пассивного схватывания.

Чтобы дополнить эту информацию, в фаланги пальцев установлены множество датчиков давления. Датчики могут “сказать”, касалась ли рука предмета кончиком пальца, ладонью, или каким-нибудь другим местом. Образцы этой информации обеспечивают компьютер (управляющий руками) данными о форме захватываемого предмета. Например, ручка отвертки будет вступать в контакт с другими датчиками. Датчики давления также снабдят компьютер данными о весе и гибкости поверхности предмета, говоря роботу, как плотно нужно захватить предмет. В каждом пальце на руке размещено 22 таких датчиков, и ещё 48 размещены в ладони.

Коллеги из компании iRobot разработали аппаратное и программное обеспечение, которые позволяет авторам этой статьи управлять рукой и передавать информацию с датчиков на компьютер. Микроконтроллеры, включили в каждый палец, собирают данные от оптоволоконных датчиков и датчиков давления и отправляют данные в главный микроконтроллер, расположенный в ладони. Главный контроллер действует как своего рода “транспортный полицейский” для всей руки, посылая данные с руки на компьютер управления и передавая команды от компьютера управления до отдельных пальцев. Хотя эта информация пока не использовалась, чтобы управлять рукой во время соревнования, была обеспечена визуализация этой информации, чтобы продемонстрировать ее возможности “осязания” роборук.

Рука – ничто без своих пальцев. И роборука – не исключение. Изготовить пальцы помогли коллеги из Гарвардского и Йельского университетов, которые построили части с электронными компонентами, уже включенными в них при проектировании предыдущих версий роборук. А датчики и необходимые для них печатные платы были внедрены в материал подушечек для пальцев методом холодной заливки отверждающимся составом в соответствующие формы. В результате получился палец с внедрённой в него необходимой электроникой, и это работало. Такой производственный метод позволил сильно упростить конструкцию пальцев. От исходного прототипа пальца, из 60 различных частей, пришли к пальцу из всего 12 частей. И отпала необходимость в маленьких винтах других маленьких креплениях.

А для крепления пальцев к ладони использовались магниты. Это позволяло пальцам просто отделяться полностью от ладони руки, если они рисковали стать перегруженными, вместо того, чтобы переломаться посередине. Таким образом, можно было легко потом установить палец на своё место вместо того, чтобы заменять сломанный палец. Чтобы проверить надёжность роборуки, её многократно били по пальцам бейсбольной битой. Пальцы отлетали в сторону, их устанавливали на место. И после этого роборука продолжала работать.

За счёт использования обычных пластмасс и резины и дешёвого метода сборки, роборука получилась не только надёжной, но и дешёвой. Это помогло остаться близко к ожиданию Управления перспективных исследовательских программ, что универсальная роборука будет стоить приблизительно 5,000 долларов США.

В день соревнования DARPA, в июне 2012, роборука превзошла все ожидания. Она выполнила все 19 тестов (9 на захват различных предметов, 9 на захват и манипуляции и 1 тест на силу руки). Каждый тест повторялся 5 раз, чтобы показать, что успешное выполнение теста – не счастливая случайность. Захват таких предметов как шар и телефонная трубка заняли время только секунды. Даже такие задачи на захват и манипуляции как сверление отверстия в деревянном блоке и включение переносного радио были выполнены с лёгкостью. Возможно, самый удивительный был тест на силу, где роборука подняла и держала 22-килограммовый вес (на 6 кг больше, чем это было в предыдущих лабораторных тестах). Роборука справилась с тестами так быстро, что осталось ещё несколько часов свободного времени. Это позволило показать некоторые другие возможности роборуки, о которых даже не подозревали её разработчики. В одном импровизированном тесте штатный сотрудник компании iRobot положил на испытательный стол пинцет и тонкую соломинку. И бросил вызов взять пинцет роборукой и затем взять соломинку, используя пинцет. Этот тест был выполнен за одну попытку….

Через некоторое время Управление перспективных исследовательских программ связалось с разработчиками роборуки, чтобы сообщить, что они выиграли соревнование. Эта победа означала, что Управление перспективных исследовательских программ продолжит использовать эту роборуку в будущих соревнованиях по робототехнике.