Роботы-андроиды твердо становятся на ноги

Владимир Богданов

Современные андроиды

   Sony SDR-4X — «пляшущие человечки»

   Honda Р3 и ASIMO

   Kawada HRP-2P: прототип «социального» андроида

   Fujitsu HOAP-1

   JSK H7: экспериментальная модель

Будущее андроидов: робкие прогнозы

Сводные характеристики современных андроидов

MIT Cog — «голова профессора Доуэля»

Пульт ДУ без кнопок

Термин «андроид» (от греч. andro — человек, мужчина) пришел из научной фантастики, еще в XVIII веке предсказавшей появление человекоподобного робота. Главным отличием андроида от роботов других архитектур является его антропоморфность: андроид должен иметь основные элементы телосложения человека и двигаться как человек.

ожалуй, самым знаменитым андроидом в мире является робот-переводчик C-3PO («си-трипио») из саги «Звездные войны» Джорджа Лукаса. А вот его верный спутник, робот R2-D2 («арту-диту»), андроидом уже не является, поскольку по «архитектуре» ничуть не похож на человека. К слову, современные производители роботов чаще используют более «политкорректный» термин «робот-гуманоид» (humanoid robot), который означает то же, что и андроид, но при этом не содержит указания на пол. В данном обзоре речь пойдет именно о человекоподобных роботах, выпускаемых ведущими мировыми производителями.

Современные андроиды

Sony SDR-4X — «пляшущие человечки»

Не успели стихнуть восторги по поводу электронных щенков семейства AIBO, как компания Sony (http://www.sony.co.jp/) выпустила робота-андроида SDR-4X. Кадры сенсационной премьеры с групповыми танцами этих роботов обошли все новостные телеканалы мира, в том числе и российские. Когда видишь, какие пируэты выделывают эти малютки (их рост — 58 см), то глаза невольно ищут логотип студии Джорджа Лукаса. Но это не компьютерная графика, а реальные съемки первых массовых андроидов начала XXI века.

Интегрированная система адаптивного контроля в реальном времени — секрет пластики андроида Sony — обеспечивает оперативное управление всеми «суставами» робота (а их 28!) на основании сигналов, поступающих от многочисленных датчиков.

Робот действительно прекрасно передвигается на своих двоих, не теряя равновесия даже на неровной поверхности. Sony продемонстрировала следующий тест: робота ставили на плоскую горизонтальную поверхность, которая начинала раскачиваться сразу в двух плоскостях. Робот переступал с ноги на ногу, отходил на шаг назад, делал шаг вперед, но сохранял устойчивость. Недаром на рекламных снимках SDR-4X часто изображают на скейтборде — этот робот вполне способен воспроизводить движения скейтбордиста. Примечательно, что для сохранения устойчивости и выбора способа движения (например, при подъеме по ступенькам) робот не нуждается в помощи внешней рабочей станции для анализа нестандартной ситуации — ему вполне достаточно производительности собственных «мозгов».

Функцию глаз у андроида Sony SDR-4X выполняют две видеокамеры с цветными CCD-матрицами (диагональ матрицы — 0,2 дюйма; разрешение — 110 тыс. пикселов). Благодаря использованию двух камер удалось реализовать стереоскопическое «зрение» (как у человека) — робот может не только воспринимать очертания объекта, но и способен оценить расстояние до него. Получение «трехмерного» изображения нужно андроидам для того, чтобы успешно обходить препятствия, заранее просчитывая оптимальный маршрут, а самое главное — узнавать людей по чертам лица. Это звучит невероятно, но андроид Sony способен выделять из общего фона лица людей, а в его памяти может храниться до десяти образов различных лиц. В зависимости от «эмоционального состояния» андроида, его глаза изменяют свой цвет (доступно до 6,5 тыс. оттенков) — эта функция реализована при помощи светодиодов.

Помимо цифровых «органов зрения» разработчики снабдили роботов слуховой системой, состоящей из семи микрофонов, а также генератором речи. Благодаря этому андроид SDR-4X способен ориентироваться по источнику звука и распознавать голоса разных людей. Встроенные функции распознавания речи у робота весьма слабые, однако он может через беспроводной сетевой интерфейс перенаправить оцифрованный речевой сигнал на рабочую станцию для более тщательного анализа и распознавания при помощи специальных словарей. Кстати, голосовой генератор робота намного совершеннее, чем его слуховые возможности: SDR-4X умеет петь и произносить слова (лексикон этого робота включает 60 тыс. слов).

Одним из интересных решений, использованных при создании SDR-4X, является технология распределенных вычислений. Иными словами, робот может выступать в качестве интерфейса ввода-вывода информации. Операции по обработке этой информации осуществляются на удаленном компьютере (а его-то можно запросто модернизировать, установив новые версии программного обеспечения и дополнительные аппаратные средства). Обработанные данные передаются роботу через беспроводной канал.

Вообще говоря, многие «способности» робота уже сейчас можно программировать на удаленном ПК. Для того чтобы научить робота новым танцевальным па, используется пакет Motion Control. При создании даже самых рискованных движений программа проконтролирует, чтобы робот не потерял равновесие и не упал. Впрочем, в отличие от большинства людей, даже из положения лежа на спине SDR-4X способен подняться в считанные секунды.

После функционального описания робота так и хочется узнать, что же находится в голове у этого малыша. Впрочем, не обязательно именно в голове. «Мозг» робота SDR-4X базируется на паре 64-разрядных RISC-процессоров. Плюс два модуля DRAM-памяти по 64 Мбайт. Управляющая работой SDR-4X операционная система реального времени Sony Aperios записывается на 16-мегабайтную флэш-карту формата Memory Stick. Предусмотрен и еще один слот — для подключения накопителей и устройств, выполненных в формфакторе PC Card Type II. Помимо вышеперечисленных устройств у робота имеются инфракрасный сенсор (он используется для определения расстояния), датчик прикосновения на голове, а также несколько температурных датчиков.

При росте 58 см робот с установленными аккумуляторами весит 6,5 кг. Максимальная скорость, развиваемая им на ровной поверхности, составляет 20 м/мин. При этом двигается он частыми (один шаг занимает десятую долю секунды), но очень короткими (всего по 6,5 см) шагами. В условиях «пересеченной местности» скорость еще меньше — не более 6 м/мин. В этом случае на каждый шаг у него уходит в среднем по секунде, а длина шага увеличивается до 10 см. Будущим хозяевам этого андроида стоит иметь в виду, что он не умеет передвигаться по скользкой наклонной поверхности.

Разработчики снабдили робота расширенными возможностями жестикуляции — он способен выражать свои «эмоции» движениями головы (имеющей четыре степени свободы), рук и даже пальцев, которыми робот может двигать по отдельности. Из соображений безопасности возможность «давать волю рукам» у робота заблокирована: он не сможет не только отвесить вам пощечину, но и просто крепко сжать руку.

Впрочем, глядя в горящие глаза Sony SDR-4X, понимаешь: единственное, чего японцы пока не научились делать, — давать роботам человеческие имена вместо бездушных буквенно-цифровых аббревиатур.

Honda Р3 и ASIMO

По технической и творческой реализации робот Honda ASIMO (http://www.honda-p3.com/) затмил многих своих конкурентов и даже предшественников, изготовленных компанией Honda. Ведь еще в конце 1996 года лучшей разработкой Honda в робототехнике был андроид Honda P2 — первый в мире автономный прямоходящий андроид, способный подниматься по ступенькам и успешно перемещаться по плоской поверхности. В «тело» робота P2 был вмонтирован компьютер, управляющий многочисленными двигателями, а также беспроводной интерфейс и аккумуляторы. Робот Honda P2 был ростом со взрослого мужчину (182 см) и имел серьезные проблемы с лишним весом (210 кг). Не беда, что голова P2 была размером с телевизор, — главное, что он умел самостоятельно ходить даже по ступенькам. С другой стороны, при падении Р2 запросто мог придавить своего хозяина.

Уже спустя год, в сентябре 1997-го, Honda выпустила куда более совершенную модель: андроид Honda P3 имел рост 160 см и весил 130 кг. Разработчики постарались придать ему дружественный человеку облик — по крайней мере чтобы на людной улице робот не вызывал панику среди прохожих. Существенное снижение веса стало возможным благодаря применению нового прочного и легкого каркаса из магния. Управляющий работой Honda P3 высокопроизводительный четырехпроцессорный компьютер размещается внутри массивного углепластикового «ранца»; там же находятся аккумуляторы, заряда которых хватает на 25 минут активной работы андроида. При этом робот обладает недюжинной силой: в каждой руке он может легко нести груз массой до 9 кг. На ровной поверхности Honda P3 развивает скорость 2 км/ч.

Официально аббревиатура ASIMO расшифровывается как Advanced Step in Innovative Mobility («серьезный шаг в инновационной мобильности»). Хотя, как и в случае с Sony AIBO, она наверняка подбиралась под созвучное японское слово.

Двуногий робот Honda ASIMO выглядит именно так, как принято описывать андроидов в научно-фантастических романах. Его рост — около 120 см, вес — 43 кг. По своим пропорциям он очень похож на человека, точнее на мальчика в скафандре: за спиной ASIMO носит внушительных размеров ранец.

Рост ASIMO обусловлен его функциональным назначением — по расчетам разработчиков именно такой рост позволяет роботу комфортно перемещаться по дому. Аргументируя выбор именно этого значения роста, разработчики утверждают, что ASIMO вполне способен дотянуться до выключателя¹ и прислуживать за столом, не изменяя положения своего «тела». Кроме того, «глаза» робота находятся на уровне глаз сидящего в кресле взрослого человека.

Движениями ASIMO можно управлять в режиме реального времени с помощью портативного дистанционного пульта. А управлять есть чем — диапазон перемещения «рук» ASIMO по вертикали составляет 105° (для сравнения: аналогичный показатель Honda P3 — 90°).

На разработку этой модели у конструкторов ушло почти 15 лет. Первые шаги Honda ASIMO сделал еще в 2000 году, и с тех пор он находится на стадии предварительной коммерческой «обкатки». В настоящее время у этого робота реализованы и коммуникационные функции: в частности, он не только распознает до 50 голосовых команд и 30 жестов, но и адекватно реагирует на них.

Honda ASIMO выгодно отличается от своих предшественников: если для «приведения в чувство» предыдущих версий роботов Honda требовалось почти 40 минут, то полный цикл активации ASIMO занимает в десять раз меньше времени — всего 4 минуты. При моделировании походки ASIMO разработчики внедрили «упреждающую» технологию — андроид может корректировать свой шаг, учитывая изменение внешних условий. В частности, при прохождении поворота ASIMO заранее перемещает центр тяжести на внешнюю сторону, что придает его движениям плавность. «Ноги» ASIMO достаточно подвижны и по своему строению напоминают ноги человека, так как состоят из такого же набора основных «суставов». При ходьбе ASIMO переносит всю тяжесть то на одну ногу, то на другую, что придает его походке довольно игривый вид. Кроме перемещения по ровной поверхности робот может подниматься по ступенькам.

«Шея» Honda ASIMO имеет две степени свободы, благодаря чему робот может поворачивать голову в стороны и слегка запрокидывать ее (до 15° относительно горизонтальной плоскости). «Ноги» обладают шестью степенями свободы, «руки» — пятью, а «плечи» — тремя. В общем, пластика робота достаточно совершенна даже для андроида третьего поколения.

Основная задача робота — реагировать на просьбы людей и оказывать им помощь, например переносить грузы. Маркетологи Honda предполагают, что в будущем ASIMO станет прекрасным помощником для пожилых людей (японцы очень трепетно относятся к нуждам стариков). Но пока ASIMO — это престижная игрушка, выполняющая главным образом имиджевые функции. В частности, этот робот бил в колокол на открытии Нью-Йоркской фондовой биржи (NYSE) и снимался в рекламном ролике Honda, демонстрируя технологическое превосходство этой компании. Пока разработчики пытаются определить потенциальный спрос на столь экзотическое изделие, похвастаться слугой-андроидом Honda ASIMO могут только японские бизнесмены, и только на условиях аренды. Остальным желающим придется подождать начала официальных продаж, точная дата которых еще не определена.

Один из первых экземпляров робота был арендован японским отделением IBM, где андроид выполнял функции секретаря. По слухам, аренда андроида обошлась в 160 тыс. долл. за год. Разовый «выход в свет» (например, появление робота на презентации) обойдется в 16 тыс. долл.² К слову сказать, его конкурент, андроид SDR-4X, тоже не дешев — по обтекаемой формулировке маркетологов Sony, его цена «сопоставима с роскошным автомобилем». Хотя столь условную цену не стоит воспринимать всерьез: за ней может крыться изящный рекламный шаг. Если к началу серийного производства Sony SDR-4X составит хотя бы 10 тыс. долл., то купившие его будут уверены, что сделали крайне выгодное приобретение.

Kawada HRP-2P: прототип «социального» андроида

HRP-2P (Humanoid Robotics Project) — прототип «социального» робота-андроида, разрабатываемого группой японских компаний по заказу консорциума японских министерств и неправительственных организаций. Общее руководство проектом осуществляет компания Kawada Industries (http://www.kawada.co.jp/), занимающаяся в числе прочего разработкой беспилотных систем управления легкими вертолетами. Видеоподсистему робота, базирующуюся на трехлинзовой стереокамере, спроектировала корпорация Shimizu (http://www.shimiz.co.jp/), а кибер-руку создала компания Yaskawa (http://www.yaskawa.co.jp/).

На фотографиях андроид выглядит каким-то легкомысленным и даже игрушечным. Но на самом деле этот робот представляет собой внушительную электромеханическую конструкцию ростом 154 см и весом 58 кг. Основное назначение будущего робота — выполнение работ на открытом воздухе и реализация социальной функции — общения с людьми.

«Скелет» робота имеет 30 степеней свободы. Особая конструкция «таза» дает ему возможность передвигаться даже по узкой тропинке. Высокая плотность размещения компонентов в корпусе Kawada HRP-2P позволила разработчикам отказаться от традиционного для многих андроидов «ранца». Согласно техническому заданию, робот должен уметь передвигаться по неровной поверхности, уверенно держать равновесие (для этого предусмотрен гироскоп) и самостоятельно подниматься после падения.

HRP-2P приводится в движение при помощи 16 экономичных электродвигателей. Питание осуществляется от никель-металлгидридной батареи (напряжение — 48 В, емкость — 18 А•ч). По ровной поверхности робот может передвигаться со скоростью до 2 км/ч. Проектная грузоподъемность — по 2 кг для каждой «руки». Примечательно, что разработчики собираются открыть код операционной системы робота Kawada HRP-2P и, таким образом, программное обеспечение для этой модели сможет создавать каждый желающий.

Fujitsu HOAP-1

Инженеры японской Fujitsu Laboratories еще в сентябре 2001 года представили андроида собственной разработки — HOAP-1 (Humanoid for Open Architecture Platform), управляемого операционной системой RT-Linux с открытым кодом. Рост HOAP — 48 см, а весит он около 6 кг. «Скелет» робота имеет 20 степеней свободы — по гибкости он немногим уступает лучшим конкурирующим моделям.

В момент выхода Fujitsu HOAP-1 стоил баснословно дорого — 41 тыс. долл. Может быть, поэтому планы производителей — за три года продать 100 экземпляров — нельзя назвать амбициозными. Кроме того, роботы HOAP-1 пока доступны только на территории Японии.

Fujitsu HOAP-1 предназначен в первую очередь исследователям, разрабатывающим интерфейсы «робот—человек» и технологии прямохождения. Вместе с роботом поставляется программный эмулятор, позволяющий без натурных испытаний оценить запрограммированные движения. Программное обеспечение для управления роботом запускается на ПК под управлением RT-Linux, а связь между ПК и андроидом осуществляется через 12-мегабитный интерфейс USB. Поскольку USB-интерфейс проводной, можно предположить, что антенны на ранце робота являются чисто декоративным элементом. Потребляемая во время работы Fujitsu HOAP-1 электрическая мощность эквивалентна мощности двух ярких лампочек и составляет 150 Вт.

JSK H7: экспериментальная модель

Японский андроид JSK H7 (http://www.dh.aist.go.jp/h6/H6_H7.html) был разработан группой компаний из Страны восходящего солнца под общим руководством JSK Laboratory при участии уже упоминавшейся выше корпорации Kawada. При росте 147 см робот весит 58 кг (с учетом довольно тяжелой аккумуляторной батареи). Хотя данный робот спроектирован для автономной работы, на публичных демонстрациях инженеры предпочитают подключать его к внешнему источнику питания. Впрочем, повышенное энергопотребление является изъяном практически всех андроидов.

«Скелет» JSK H7 имеет 30 степеней свободы, у «рук» и «ног» — по шесть степеней свободы. Этот робот использует весьма оригинальную технику передвижения, двигаясь боком волновым шагом. Все основные сочленения робота приводятся в движение электромоторами через специальные шестерни. Электронный «мозг», базирующийся на двух процессорах Intel Pentium III 1,1 ГГц, в реальном масштабе времени управляет сервоприводами «суставов», следит за сохранением равновесия и рассчитывает траекторию движения. «Зрительное восприятие» внешнего мира реализовано с помощью стереоскопического «зрения».

Управляющие команды JSK H7 передаются по беспроводному Ethernet, а встроенный в робота компьютер работает под управлением операционной системы RT-Linux. Создатели JSK H7 видят в нем пока лишь экспериментальную платформу для оптимизации человекоподобной конструкции и отработки алгоритмов трехмерного зрения, поэтому для массового рынка эта модель в обозримом будущем производиться не будет.

Будущее андроидов: робкие прогнозы

азработки коммерческих андроидов сегодня ведут более 100 исследовательских групп ученых по всему миру. И вряд ли инвесторы, финансирующие данные разработки, будут вкладывать средства в исследования, не надеясь на их коммерческое использование: по оценкам некоторых специалистов, потенциальный рынок андроидов в течение ближайших 12 лет составит порядка 30 млн. шт. Производство андроидов обещает стать одним из самых доходных направлений развития индустрии XXI века, сравнимой по своему потенциалу с автомобильной промышленностью. Да и темпы развития «андроидостроения» просто невероятные: всего за год разработчикам удается создать новую модель, которая на порядок совершеннее предыдущей. Ожидается, что уже к середине наступившего века объемы производства андроидов станут сравнимы с объемами производства автомобилей. Вообще, если проводить аналогии с автомобилестроением, то современный уровень развития индустрии роботов сопоставим с состоянием мировой автомобильной промышленности в 1900 году.

Тем не менее описанные в статье новинки позволяют получить представление о наиболее серьезных проблемах, стоящих на пути коммерческого производства андроидов. Качественные роботы весьма дороги и, скорее всего, вряд ли будут стоит дешевле хороших автомобилей (то есть 25-30 тыс. долл.). Искусственный интеллект, с которым ассоциируются многие модели, пока находится в зачаточном состоянии. Фактически на данном этапе ученые работают лишь над тем, чтобы роботы научились уверенно передвигаться и выполнять элементарные команды. Много неприятностей доставляют разработчикам несовершенные аккумуляторы: максимальный срок автономной работы робота едва достигает получаса. Однако перечисленные проблемы не являются неразрешимыми, и вполне возможно, что лет через 12-15 в зажиточных семьях появятся электронные гувернеры, дворецкие и сиделки.

При подготовке статьи использовались материалы Web-сайтов http://www.androidworld.com/, http://www.robodex.org/, а также упомянутых в тексте Web-сайтов разработчиков.

Связаться с автором этой статьи можно по e-mail: vladbog@robotinfo.ru.

КомпьютерПресс 8'2002