Член-корреспондент РАН Н.Н. Болотник: «Роботы – помощники, но не замена человека»

Какие бывают роботы и для чего их можно использовать? В каких случаях они могут заменить человека, а в каких это невозможно? Станут ли роботы нашими повседневными помощниками? Об этом – наш разговор с Николаем Николаевичем Болотником, главным научным сотрудником Института проблем механики Российской академии наук, заведующим лабораторией робототехники и мехатроники, членом-корреспондентом РАН.

– Николай Николаевич, когда была создана ваша лаборатория и с какой целью?       

– Наша лаборатория, которая сейчас называется лабораторией робототехники и мехатроники, была создана в 1981 году по инициативе академика Феликса Леонидовича Черноусько с целью организации в Институте проблем механики прикладных, главным образом экспериментальных исследований по механике управляемых систем. Теоретические исследования в этом направлении уже велись в институте. Объектом исследований были выбраны роботы. Механика робототехнических систем как отдельная прикладная научная дисциплина в те годы была в стадии становления, и ее развитие требовало новых знаний, в том числе фундаментальных, в области механики и управления движением. Создание лаборатории робототехники в академическом институте оказалось своевременным и плодотворным.

Основателем и многолетним руководителем лаборатории был доктор технических наук профессор Валерий Георгиевич Градецкий. К сожалению, в 2020 году он ушел из жизни из-за коронавирусной инфекции. До конца жизни он оставался научным лидером лаборатории.

Феликс Леонидович Черноусько и академик Александр Юльевич Ишлинский, который тогда был директором нашего института, пригласили Валерия Георгиевича с предложением создать и возглавить лабораторию робототехники. Выбор оказался очень удачным. Валерий Георгиевич был в то время уже известным специалистом в области пневмоавтоматики и робототехники, сочетал в себе качества ученого, инженера и организатора, имел опыт работы в отраслевом научно-исследовательском институте и желал работать в академическом институте. Он быстро набрал в лабораторию квалифицированных инициативных сотрудников разных специальностей, которые умели проводить научные исследования и решать инженерные задачи, связанные с созданием экспериментальных установок и прототипов разрабатываемых роботов.

В нашей лаборатории за четыре десятилетия ее существования проводились исследования по многим направлениям. Начинали мы с механики промышленных манипуляторов. Тогда важной проблемой было исследование влияния упругости звеньев и шарниров манипулятора на точность выполнения операций по перемещению и позиционированию различных объектов, а также выявление принципиальных и технических возможностей компенсации нежелательного влияния упругой податливости манипуляторов средствами управления. По этой тематике были получены новые интересные и важные результаты, но пионерами здесь мы не были, подобные исследования уже велись в то время в Советском Союзе и за рубежом.

– Но я знаю, что были направления, где вы стали пионерами.

– Потом у Валерия Георгиевича родилась идея заняться мобильными роботами, которые могут перемещаться не только по горизонтальным поверхностям или поверхностям с незначительным наклоном, но и по поверхностям произвольного наклона, включая стены и потолки. Из этой идеи выросло научное направление, которое можно условно назвать «Роботы вертикального перемещения», хотя, как я уже сказал, такие роботы способны перемещаться по поверхностям произвольного наклона.

Это научное направление на многие годы стало основным в лаборатории и, можно сказать, ее лицом. Роботы вертикального перемещения могут иметь разнообразные приложения: они могут использоваться как транспортные средства для доставки технологического оборудования к месту проведения работ на стенах и потолках, для технического обслуживания и ремонта корпусов судов в сухих доках, для обслуживания реакторных помещений и бассейнов выдержки на атомных электростанциях, при тушении пожаров на нефтехранилищах.

Мы начинали с шагающих роботов большой грузоподъемности (до 150 кг). Такие роботы имели большую массу, их ноги были снабжены мощными стопами с вакуумными схватами (присосками), с помощью которых робот надежно удерживался на стене или потолке. Вакуум создавался с помощью специальных устройств, работающих на сжатом воздухе под высоким давлением. В общем, выглядело все это весьма впечатляюще и привлекательно, особенно для молодых сотрудников и студентов.

– Насколько это трудоемкая задача? 

– Создание таких роботов требовало решения ряда непростых научных задач, связанных с удержанием робота на вертикальной поверхности с помощью вакуумных схватов в статическом состоянии и в движении, с планированием и реализацией походок, с управлением движением. В научном отношении мы тесно сотрудничали и сотрудничаем сейчас с лабораторией механики управляемых систем. Эту лабораторию основал Ф.Л. Черноусько и долгие годы возглавлял ее. Сейчас лабораторией заведует Игорь Михайлович Ананьевский.

У сотрудников двух лабораторий есть много совместных публикаций, в том числе две монографии, и патентов. Первоначально лаборатория робототехники входила в состав лаборатории механики управляемых систем, которая тогда имела статус отдела, но через несколько лет было принято решение о реорганизации лаборатории робототехники в самостоятельное подразделение института. Так вот, в области механики роботов вертикального перемещения мы можем числить себя первопроходцами. Насколько я знаю, наша лаборатория была первой в Советском Союзе, в которой начали проводиться систематические исследования по механике роботов вертикального перемещения, и одной из первых в мире.

Наши научные результаты по роботам вертикального перемещения, а также сами роботы, созданные у нас, получили известность и признание отечественных и зарубежных специалистов. К нам приходили и приходят заказы от промышленных предприятий на разработку роботов вертикального перемещения, адаптированных к нуждам этих предприятий. Мы участвовали в промышленных выставках в России и за рубежом, получали на них дипломы за наши разработки.

В девяностые годы прошлого столетия мы с нашим тяжелым роботом вертикального перемещения участвовали в международных соревнованиях, одних из первых такого рода состязаний. Соревнования проводились в Глазго, в Великобритании. Наш робот занял второе место.

– А первое кто?

– Первое место занял робот, разработанный в Портсмутском политехническом институте. Это была изящная остроумная конструкция, сильно отличающаяся от нашей. Но этот робот обладал малой грузоподъемностью, всего 0,2 кг. Такие роботы, бесспорно, тоже нужны, но это другая весовая категория. Наш же робот обладал грузоподъемностью более 100 кг, естественно, был более тяжелым и менее подвижным, чем робот наших соперников из Портсмута. На тех соревнованиях роботы выполняли одни и те же задания и оценивались по одинаковым критериям. Наш робот показал несколько меньшую скорость, но преимущество победителя не было разительным, наш робот пришел к цели не намного позже.

– А сейчас такие работы у вас ведутся?

– Работа по совершенствованию робота вертикального перемещения большой грузоподъемности активно продолжается и сейчас. Наши сотрудники ведут фундаментальные и прикладные исследования для выяснения принципиальных и технических возможностей использования вакуумных захватных устройств под водой, а также при переходе робота из жидкой среды в воздушную и обратно. Эта проблема актуальна и важна в связи с востребованностью роботов вертикального перемещения для обслуживания бассейнов выдержки АЭС без их предварительного опорожнения, а также для инспекции и очистки корпусов речных и морских судов без их помещения в сухой док. Ключевые исследователи в этом направлении – кандидаты технических наук Максим Михайлович Князьков и Евгений Александрович Семенов. Другие сотрудники активно подключаются к этим исследованиям.

– Николай Николаевич, вы сказали, что начали с больших роботов. А потом вы стали их уменьшать?

– Не прекращая работу над роботами большой грузоподъемности, мы занялись роботами вертикального перемещения меньших размеров и меньшей грузоподъемности. Они передвигаются с помощью колес, соединенных с электродвигателями, а прижимаются к вертикальной стене так же, как и роботы большой грузоподъемности, благодаря разрежению воздуха в полости между днищем робота и поверхностью перемещения; в этой полости расположены и колеса.

Однако вакуум здесь создается не струей сжатого воздуха, а аэродинамической крыльчаткой, подобной вентиляторной, которая, постоянно вращаясь, откачивает воздух из полости. Роботы этого типа предназначались для выполнения работ по очистке и покраске вертикальных поверхностей. В настоящее время подобные роботы используются для мойки окон, их можно купить в магазинах бытовой техники.

Но мойщики окон работают от электросети и в этом смысле неавтономны. Правда, у них есть аккумуляторы, от которых робот может работать некоторое время в случае обесточивания сети. Эти аккумуляторы служат только для того, чтобы робот не упал сразу после обесточивания сети, долго на аккумуляторе он работать не может. После получения сигнала об обесточивании электросети робот нужно аккуратно снять с окна.

Нам было интересно создать робот, который может долго работать от аккумулятора без подключения к внешнему источнику электропитания. Один из путей решения этой проблемы – оптимизация расхода электроэнергии на работу вакуумного насоса и маршевых двигателей робота.

– Что же вы придумали?

– Снабдить робот датчиками, которые измеряют давление в вакуумной полости и угол наклона робота, и регулировать мощность работы вакуумного насоса и маршевых двигателей в зависимости от показателей этих датчиков. Эта идея принадлежит нашим сотрудникам кандидатам физико-математических наук Владиславу Григорьевичу Чащухину и Армену Мартыновичу Нунупарову.

Если робот движется горизонтально или по поверхности с малым наклоном, то вакуумный насос отключается, и робот перемещается как обычная колесная тележка. По мере увеличения наклона поверхности перемещения возрастает мощность работы вакуумного насоса. Необходимая для удержания робота на поверхности мощность вакуумного насоса и допустимая мощность работы маршевых двигателей зависят и от условий сцепления колес с поверхностью, которые также должны контролироваться измерительной системой робота.

На этом пути мы надеемся значительно увеличить время автономной работы робота без подзарядки или замены аккумуляторов. Сейчас ведутся теоретические и экспериментальные исследования в данном направлении.

– А роботы у вас в лаборатории работают? Это же так удобно: они не устают, им не надо платить зарплату.

– Нет, в качестве активного оборудования, помогающего нам в исследованиях, роботы у нас пока не используются.

– Как вы думаете, настанет такой день?

– Не думаю, что роботы смогут когда-нибудь стать научными сотрудниками, хотя бы вспомогательными. Ведь научная работа базируется на интеллекте и интуиции, и трудно сказать, какая из этих двух основ определяющая. Вряд ли интуиция и научное озарение будут когда-нибудь присущи машине, в том числе с искусственным интеллектом. Роботы способны намного превзойти человека по скорости и точности выполнения механических операций, но едва ли будут способны к озарению, без которого немыслимо творчество. Так что самостоятельных научных исследований роботы проводить не смогут.

Что же касается вспомогательной технической роли, конечно, робототехнические системы будут использоваться. Сейчас, например, у нас в лаборатории есть 3D-принтер, который изготовляет нам детали, нужные для проведения экспериментов, по программам, которые в него закладываются. Его тоже можно рассматривать как робототехническую систему.

– Какие роботы у вас еще есть?

– Мы занимаемся миниатюрными капсульными роботами вибрационного принципа действия. Такой робот состоит из корпуса (капсулы) и вспомогательного тела, перемещающегося внутри капсулы с помощью привода. Если между капсулой и поверхностью перемещения робота есть трение, робот может двигаться за счет несимметричных колебательных движений внутреннего тела, которое через привод взаимодействует только с капсулой. Такой способ передвижения может наблюдать каждый. Возьмите ваш мобильный телефон, установите на нем вибрационный режим вызова, положите телефон на стол и произведите вызов с другого телефона. Телефон медленно поползет по столу.

Это происходит потому, что внутри него движется эксцентрик, который производит вибрацию, а между столом и корпусом телефона есть сухое трение. Трение здесь является ключевым фактором. Без трения ни телефон, ни капсульный робот не поползет, а будет с небольшой амплитудой колебаться на месте.

Мы занимаемся как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями динамических свойств капсульных роботов и способов управления ими. Капсульные роботы очень удобны для перемещения в трубах небольшого диаметра. Внешний диаметр капсулы должен быть немного меньшим диаметра трубы, и капсула должна быть покрыта специальным эластичным материалом, который позволит вставлять капсулу в трубу «впритирку» и обеспечивать достаточное трение между капсулой и внутренней стенкой трубы. Так как капсульный робот не имеет выступающих деталей, он не будет царапать стенку трубы.

Он может двигаться по трубе, наклоненной под любым углом. Для изменения направления движения достаточно изменить режим вибрации внутреннего тела. У нас имеется несколько образцов капсульных роботов для перемещения в трубах. Все эти образцы созданы в нашей лаборатории, на них проводятся экспериментальные исследования.

Еще одно направление, сравнительно новое для нас, – биомеханические роботы. Это название мы используем для обычных механических роботов, движение которых стимулируется мышечными усилиями человека, а задающий сигнал формируется по электромиографической информации, полученной с помощью датчиков, закрепленных в нужных местах на коже оператора.

Типичным биомеханическим роботом является роботизированный экзоскелет конечностей человека, служащий для усиления его физических возможностей. Именно роботизированными экзоскелетами занимается в нашей лаборатории молодой ученый Артем Николаевич Суханов, защитивший в конце прошлого года кандидатскую диссертацию на эту тему.

– Однако идея роботизированных экзоскелетов, приводимых в движение электрической активностью мышц человека, не нова.

– Да, но прежние разработки не позволяли идентифицировать по показаниям датчиков так называемого «отведённого биопотенциала» наступление утомления и мышечной усталости и вовремя скорректировать работу двигателей экзоскелета. А.Н. Суханов решил эту проблему, провел теоретические и экспериментальные исследования, доказавшие возможность использования особенностей динамики электромиограммы для фиксации некоторых важных показателей психофизиологического состояния оператора, разработал новые алгоритмы управления экзоскелетами. Использование информации о текущем психофизиологическом состоянии оператора может существенно повысить эффективность и безопасность работы оператора с экзоскелетом.

Эта тематика была привнесена в нашу лабораторию доктором технических наук профессором РАН Иваном Леонидовичем Ермоловым. Иван Леонидович – выпускник Московского государственного университета Станкин, с которым мы поддерживаем тесный научный контакт. И.Л. Ермолов – заместитель директора нашего института по науке и одновременно сотрудник лаборатории робототехники и мехатроники. Артем Николаевич Суханов – его студент и аспирант.

– Знаю, у вас также развивается космическая робототехника.

– Да, мы думаем и в этом направлении. Мы работаем над созданием миниатюрных шагающих роботов, которые могут перемещаться в условиях невесомости и осуществлять мониторинг технического состояния ряда узлов и систем внутри и снаружи космических аппаратов.

Эта тематика возникла и развивается в сотрудничестве с группой ученых и инженеров АО «Российские космические системы», возглавляемой доктором технических наук Андреем Александровичем Жуковым, талантливым и изобретательным ученым и инженером. Он предложил изящную конструкцию миниатюрного шагающего робота с термомеханическими приводами. Я не буду здесь углубляться в технические детали. Скажу только, что основным элементом такого привода служит кремниево-полиимидная пластинка, которая, подобно известной биметаллической пластинке, выпрямляется при нагревании и искривляется при охлаждении.

Будучи прикрепленной одним концом к транспортной платформе робота, эта пластинка может играть роль его ноги. Таких ног у робота должно быть несколько. Походка робота реализуется производимыми в определенном порядке распрямлениями и искривлениями ног.

Конструкция транспортной платформы такого робота может быть изготовлена по очень простой и дешевой технологии, не требующей сборки. Такая технология разработана в АО «Российские космические системы».

А.А. Жуков обратился в наш институт с двумя проблемами. Во-первых, для инженерной разработки космического микроробота нужно иметь его компьютерную механическую модель, с которой можно производить вычислительные эксперименты для выявления особенностей динамического поведения робота в различных ситуациях, разработки его походок и алгоритмов управления. Эту модель и предлагается создать нашей лаборатории.

Во-вторых, для ходьбы в невесомости нужно придумать способ фиксации опорной ноги на поверхности перемещения и прекращения этой фиксации при переходе ноги в фазу переноса. При ходьбе по земле такой проблемы не возникает, так как сила тяжести прижимает шагающего человека или аппарат к земле, а сила трения стопы о грунт препятствует проскальзыванию стопы опорной ноги. В космосе силы, прижимающей робот к поверхности ходьбы, нет. Вопрос, как осуществить прижим, остается открытым.

– Действительно, как?

– Мы пока остановились на идее покрывать стопы ног робота сухим адгезивным материалом. Эта идея требует исследований. Здесь нам понадобится сотрудничество с лабораторией трибологии, которую возглавляет академик Ирина Георгиевна Горячева. В лаборатории И.С. Горячевой есть прекрасные специалисты, теоретики и экспериментаторы, по адгезии.

У нас уже есть совместные публикации и патенты. Так что сотрудничество началось и идет. Добавлю, что с А.А. Жуковым и его коллегами у нас есть опыт плодотворной пятилетней совместной работы в рамках проекта, который финансировался Российским научным фондом. Этим проектом мы создали значительный научный задел. Сейчас у нас гранта нет. Мы надеемся решить вопрос с финансированием исследований по созданию космического шагающего микроробота. Мы не сомневаемся в важности и перспективности этой тематики как в научном отношении, так и для развития практической космонавтики.

– Скажите, пожалуйста, были ли у вас случаи, когда робот вас чем-то удивил?

– Нечасто, но иногда такие случаи были. Мы занимались экспериментами с капсульным вибрационным роботом. О капсульных роботах я уже говорил раньше. В роботе, о котором идет речь, внутреннее тело было прикреплено к капсуле пружиной. Робот управлялся электрическим напряжением, которое подавалось на привод, изменяясь периодически и притом так, что определенную долю каждого периода это напряжение имело постоянное ненулевое значение, а оставшуюся часть периода напряжение было нулевым.

Оказалось, что если изменять значение доли периода с ненулевым напряжением, то при переходе величины этой доли через половину робот меняет направление движения. То же самое происходит, если изменять период подачи управляющего напряжения при переходе через некоторое его критическое значение. Это открывало новые возможности управления капсульным роботом с пружиной.

Сначала такое поведение нашего робота показалось нам удивительным, но вскоре мы поняли, что замеченный эффект связан с известным явлением резонанса в колебательных системах. Ведь робот с внутренним телом, прикрепленным к капсуле пружиной, представляет собой колебательную систему.

Так что удивление длилось недолго, и мы были рады, что нашли объяснение, основываясь на известных законах механики. А вот то, что переход через резонанс вызывает изменение направления движения робота, до сих пор нам кажется интересным.

– А ведь можно было подумать, что робот вышел из-под контроля человека.

– Научный работник в области механики или инженер так не подумает. Он будет искать физическую причину неожиданного поведения исследуемой системы.

– Как вы думаете, наступит такой момент, когда роботы станут нашими помощниками во всем? Например, в медицине, что особенно актуально сейчас, в период пандемии.

– Не знаю, как во всем, но, конечно, сфера применения роботов будет расширяться. Она уже весьма широка. Кстати, если говорить о пандемии, сотрудники нашей лаборатории вместе с коллегами из Центра управления полетами приняли участие в разработке системы роботизированного мониторинга помещений инфекционных больниц для того, чтобы, по крайней мере, немедицинский персонал не имел лишних контактов с больными.

Эта роботизированная система не имеет непосредственного отношения к лечению, а предназначена для замера состава воздуха, степени загрязнения помещения, его уборки и информирования о случаях, требующих немедленного вмешательства квалифицированного медицинского персонала. Для таких сравнительно простых операций роботы, на мой взгляд, очень нужны и, конечно, будут использоваться.

– Да и не очень простых. Вон робот да Винчи какие вытворяет чудеса. Понятно, что нужен человек, им управляющий, но тем не менее какая точность!

– Безусловно, точность манипуляций, осуществляемых роботами, уже сейчас намного превышает точность, которая может быть достигнута рукой человека, даже обученного и тренированного многолетней практикой. Для осуществления точных манипуляций хирургическими инструментами роботы используются уже сейчас и будут надежными помощниками хирургов в будущем. Но они, надеюсь, будут всегда подвластны воле человека, профессионала, за которым останутся принятие решений и ответственность за эти решения, причем не только в медицине.