Роверы-разведчики | Наука и техника | DW | 31.08.2005
  1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука и техника

Роверы-разведчики

04.04.2005

Как обычно в первый понедельник месяца, выпуск передачи Наука и Техника посвящен вопросам аэронавтики и космоплавания. Сегодня мы расскажем вам о новых конструкторских разработках в области робототехники, призванных облегчить работу астронавтов в космосе или даже заменить его в тех уголках вселенной, доступ в которые человеку пока заказан. А начнем мы наш рассказ с репортажа из научно-исследовательского центра в американском городке Лэнгли, расположенном в штате Вирджиния. Там специалисты из американского космического агентства НАСА разработали принципиально новую концепцию автономного ровера, предназначенного для исследования дальних планет.

Вот уже более года европейский спутник-разведчик Марс-экспресс описывает эллипсы на около-марсианской орбите, а поверхность самой Красной планеты бороздят американские роверы-разведчики. И, тем не менее, полного представления об этой планете ученым не удалось пока получить. Дело в том, что европейский зонд Марс-Экспресс, находящийся на орбите Марса, может дать лишь общую картину Красной планеты, на которой невозможно разглядеть интересующих ученых подробностей. В то же время американские колесные роверы обладают относительно небольшим радиусом действия, который ограничивает поле их деятельности. Исследователям не хватает, если можно так выразится, промежуточного между орбитальным зондом и колесным ровером звена – робота с большим радиусом действия, который мог бы обследовать бескрайние марсианские просторы. И вот не так давно американские ученые объявили о создании прототипа такого вот робота. Он имеет форму большого шара и использует для своего передвижение в пространстве силу ветра, перемещаюсь подобно широко распространенному в степных регионах Земли растению перекати-поле. Благодаря своей необычной форме и малому весу ровер "перекати-поле" потребляет значительно меньше энергии, нежели колесный ровер.

Дело в том, что ровер "перекати-поле" в основном использует энергию ветра,

объясняет Джеф Энтол - инженер из Научно-исследовательского центра Лэнгли, американского космического агентства НАСА в штате Вирджиния. Марс обладает собственной атмосферой, в которой возникают достаточно сильные ветры. Конечно, атмосфера Красной планеты не такая плотная, как земная, однако и там робот перекати-поле может развить скорость до 160 километров в час. Американские ученые утверждают, что этот робот, обладая достаточно большой скоростью хода, сможет исследовать тысячи квадратных километров поверхности Красной планеты, покрывая пространство, в десятки раз превышающее тот ареал, который в состоянии охватить его старшие братья - колесные роверы. В настоящее время две опытные модели проходят испытания в Гренландии. Вот уже несколько месяцев они колесят по ледяным просторам, проводя на ходу различные измерения и непрерывно передавая полученные в результате сделанных замеров данные, а также данные, касающиеся их точного местонахождения, своим создателям. Единственная проблема, пока еще не решенная американскими конструкторами, заключается в том, что вес робота все еще слишком велик. В настоящее время опытная модель ровера весит 45 килограммов, что в два раза больше допустимого максимума. Прежде чем отправиться на Марс ему придется серьезно похудеть. Задача эта осложняется тем, что ровер нужно оснастить необходимыми для проведения научной работы инструментами, в частности, специальным буром для взятия проб грунта. Ведь ровер отправится на Марс не на прогулку, а для проведения научной работы.

Везде, где остановится робот, мы будем изучать состав грунта Красной планеты. Даже если его случайно занесет в тупик, или он упадет в яму, то и тогда мы сможем его использовать стационарно для сбора данных, касающихся состояния окружающей среды.

Удары Роверу "Перекати поле" не страшны. Он оснащен подушками безопасности, которые способны защитить его корпус от столкновения на скорости до сотни километров в час. Кроме того, новый американский ровер обладает еще одним неоспоримым преимуществом.

Наш ровер достаточно легко изготовить, он не требует больших капиталовложений в отличие от предыдущих моделей колесных роботов. Использование энергии ветра позволяет ему обследовать огромные пространства и работать в течение долгих лет.

Что же у ровера "Перекати поле" есть хороший шанс приступить к исследованию Марса уже в 2009 году. Конструкторы из американского космического агентства НАСА надеются, что его можно будет с успехом задействовать также на других планетах солнечной системы, например, Венере, а также на луне Сатурна Ио, и спутнике Нептуна Тритоне.

А теперь давайте перенесемся из Нового света в Старый и заглянем в лаборатории европейских конструкторов, которые, как и их американские коллеги, занятых разработкой нового робота, предназначенного для исследования далеких планет.

Тот факт, что колесо далеко не всегда является наилучшим способом передвижения в пространстве, в особенности, если речь идет о передвижении по пересеченной местности, навел европейских инженеров на мысль создать робота, который бы передвигался не на колесах, а с помощью ног. Надо признаться, что идея как таковая особой новизной не отличается. Однако ее осуществление в реальности до последнего времени представлялась неразрешимой задачей. Дело в то, что координация движений двух, четырех, а то и восьми конечностей дело сложное и требует больших вычислительных мощностей. Однако прогресс не стоял на месте, и те проблемы, которые казалось технически непреодолимыми вчера, сегодня стали решаемыми. Немецким информатикам из города Бремена удалось создать робота-скорпиона, процессор которого способен справится с задачей координации движений восьми конечностей. Многие, пожалуй, удивятся и скажут: эка невидаль, паук осьминогий – да у него и мозгов то почти нет, а и то бегает. Что же тут сложного для современной техники? Разумеется, для людей ходьба дело привычное и у взрослых особей, не пребывающих под воздействием алкоголя или других наркотических средств, особых затруднений обычно не вызывает. Однако, взглянув на пьяного, бредущего, словно на ходулях, на своих двоих, пошатываясь и спотыкаясь, становится ясен весь масштаб этой сложной и комплексной задачи. Ведь для ходьбы необходима не только высокая подвижность сочленений, но также и координация движений всего корпуса, а также хорошо развитое чувство равновесия. В лаборатории университета Бремена членистоногий робот "Скорпион" делает первые шаги сразу на восьми конечностях. Каждая его нога состоит из трех членов, а вмонтированные в них электромоторы обеспечивают сгибание и разгибание конечностей. В алюминиевом корпусе паука расположен компьютер, который координирует движения ног и аккумулятор, обеспечивающий электромоторы, приводящие осьминожку в движение, энергией.

Штефан Боссе, член рабочей группы немецких инженеров, создавших Скорпиона управляет движениями металлического паука с помощью обычного компьютера,

Радиосигнал с моего лэптопа поступает в приемное устройство на спине "Скорпиона". Мы можем указывать ему направление движения с помощью простых команд: идти прямо, повернуть налево или повернуть направо. Система навигации "Скорпиона" способна автономно распознавать препятствия на его пути и самостоятельно их преодолевать. Мы даем лишь общие указания. В ход их выполнения вмешиваться нет никакой необходимости. Если на его пути встречается препятствие, то робот самостоятельно решит, как его преодолеть, и как затем компенсировать вынужденное отклонение от заданного курса.

Автономность работы "Скорпиона" – условие, без которого невозможно использование робота на дальних планетах или в трудно доступных областях Земли, где ему придется самостоятельно решать проблему оптимального выбора курса. Кроме того, его компьютерный мозг должен быть достаточно мощным, ведь помимо передвижения робота в пространстве бортовому компьютеру нужно будет обеспечивать сбор и анализ информации о состоянии окружающей среды. Тут бременским информатикам есть чему поучиться у пауков, которые в деле оптимального использования ограниченных вычислительных ресурсов своего микроскопического мозга, являются настоящими мастерами.

Многие из этих насекомых имеют всего лишь несколько сотен тысяч нейронов - это ничтожно малая величина. Достаточно сказать, что простой компакт-диск плейер обладает намного большей вычислительной мощностью, нежели мозг паука. И, тем не менее, паучий мозг способен обеспечивать передвижение тела практически по любой местности.

Сенсоры, расположенные на всех восьми ногах "Скорпиона" снабжают компьютерный мозг робота необходимой для принятия решения информацией. Единственная проблема состоит в том, что пока что запаса энергии хватает только на полуторачасовую прогулку. Если ученым когда-нибудь удастся решить эту проблему, то, вне всякого сомнения, таким членистоногие машины найдут себе применения. Пока же "Скорпион" может работать только в тандеме с обычными колесными роботами, которые должны будут доставить "Скорпиона" до границы труднодоступной местности, где робот-паук сможет приступить к выполнению своей работы.

Ну а теперь давайте вернемся от роботов, которые еще не прошли боевого крещения в космосе к роботам, которые уже сегодня работают на орбите. Не секрет, что космонавтам, облаченным в защитные костюмы и толстые перчатки, сложно выполнять тонкую ювелирную работу. То, что на земле не вызывает никаких проблем, в космосе становится почти не разрешимой задачей. И вот тут на помощь людям приходит техника. Немецкие инженеры из аэрокосмического концерна EADS в Бремене разработали автоматическую систему-робота, которая может проводить ремонтные работы в открытом космосе. "Роквисс" - так называется экспериментальная модель руки-робота, проходящая сейчас испытания на Международной космической станции. Говорит руководить проекта "Роквисс" Вольфганг Петч;

Мы проводим испытания руки-робота, способной осуществлять самые разнообразные движения в пространстве. Управление рукой осуществляется с наземной станции. Информация, о прилагаемых роботом и воздействующих на него силах, передается с околоземной орбиты непосредственно на джойстик оператора на Земле. А он руководит всеми ее движениями в космосе.

У оператора в процессе управления роботом должно возникнуть ощущение прямого контакта, как будто бы он сам находится в непосредственной близости от робота на Международной космической станции. Для этого инженеры из немецкого аэрокосмического центра установили на все суставы руки-робота многочисленные сенсоры

Мы интегрировали в руку многочисленные измерительные системы, обеспечивающие тесный контакт и успешное взаимодействие машины и человека. Чтобы понять, как это взаимодействие происходит, приведу такой пример. Допустим, рука-робот держит чашку с чаем, а человек дает ей команду поднять локоть. Понятно, что мы не хотим, чтобы жидкость пролилась. Поэтому на команду поднять локоть система реагирует таким образом, чтобы при ее выполнении чай не пролился.

Другая проблема при дистанционном управлении с Земли связана с неизбежным запаздыванием реакции робота, которое, однако, не должно превышать десяти миллисекунд. Благодаря стереокамерам, расположенным на роботе, оператор имеет возможность получать трехмерную картину происходящего в реальном времени. Тем не менее, информация, поступающая от сенсоров робота, передается на джойстик оператора с запозданием. Для того чтобы минимизировать время, необходимое для прохождения сигнала на орбиту и обратно, центр управления роботом расположен в непосредственной близости от передающей антенны в немецком городе Вайльхайме. Измерения показали, что благодаря этой позиции можно сократить запаздывание радиосигнала до 12 миллисекунд. Единственная проблема заключается в том, что испытания можно проводить только тогда, когда международная космическая станция находится в зоне прямой видимости с наземной станции. В остальное время ученым приходится терпеливо ждать, занимаясь оценкой уже поученных в ходе экспериментов данных, и отслеживая информацию о самочувствии робота, которую российские коллеги ежедневно отправляют из Москвы электронной почтой в Германию. Кроме того, ученые используют вынужденную паузу для подготовки последующих экспериментов в космосе. В их распоряжении на Земле имеется второй точно такой же робот, которому они могут отдавать аналогичные приказы, и затем, проанализировав его реакцию, экстраполировать полученные результаты на его брата-близнеца на околоземной орбите. Всего эксперимент на Международной орбитальной станции продлится около года. За это время ученые надеются получить достаточное количество данных, для внесения необходимых изменений в конструкцию робота и подготовки его к промышленному производству.

Мы хотим сравнить данные, полученные в начале эксперимента и при его завершении, чтобы понять, как работа в космосе повлияла на корпус робота. Это поможет нам в будущем создать более надежную, точную и стойкую к воздействию окружающей среды конструкцию.

Дело в том, что робот, проходящий сегодня испытания на околоземной орбите, это не более чем опытная модель - предварительна ступень для более мощных и сложных роботов. Над новой версией руки-робота уже ведется работа.

На основе компонентов, из которых состоит робот "Роквисс" мы намерены построить семи-осевую механическую систему, оснащенную камерами, сенсорами движения и силы, а также собственной ЭВМ. Эта механическая рука сможет вращаться вокруг своей оси и осуществлять движения с шагом менее одного миллиметра. Помимо тончайших ремонтных работ на борту станции, такая рука-робот смогла бы захватывать вышедшие из строя сателлиты, проводить необходимые ремонтные работы и затем направлять их на заданную орбиту.