И. Артоболевский - Знакомьтесь - роботы!
Работы по созданию шагающего грузовика носили поисковый, экспериментальный характер. На базе таких работ часто появляются новые предложения и изобретения. Так, в частности, в технической печати обсуждается возможность создания машины, сочетающей принципы шагания и перекатывания. По хорошей дороге машина катится на колесах; при движении по бездорожью колесо играет роль стопы, а шагание осуществляется управляемым механизмом подвески колеса.
В принципах построения шагающих машин, как и в принципах построения полуроботов, обнаруживаются две тенденции. Одна проявляется в стремлении обеспечить оператору эффект присутствия — посадить его в машину, другая создать телеуправляемую систему.
Многоногие машины
Мы уже знаем о многообразии походок у четвероногих. Еще большее разнообразие их свойственно насекомым. Походка насекомого может сильно меняться, например, в зависимости от скорости его движения.
При медленном движении, скажем, жук, имеющий шесть ног, может ходить, переставляя поочередно по одной ноге; варьируя при этом очередность, он имеет возможность выбрать одну из 120 типов походок.
При большей скорости движения в фазе переноса могут одновременно находиться по две ноги, обычно по одной из трех левых и трех правых; таких походок — симметричных и несимметричных — может быть девять. Наконец, когда жук торопится, он переступает одновременно тремя ногами: двумя левыми и одной правой, затем одной левой и двумя правыми. Он идет так, что всегда опирается на три ноги, образующие опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести его тела. Шесть ног — минимальное число, которое обеспечивает возможность идти медленно или быстро, не раскачиваясь из стороны в сторону, как это приходится делать двуногим и четвероногим, чтобы непрерывно сохранять устойчивое положение.
Вот почему давно обсуждаются возможности (и конструкции) многоногих шагающих машин. Для такой машины вопросы устойчивости становятся особенно важными, когда она предназначена для автономного передвижения и не несет оператора, управляющего ее походкой, каждое мгновение готового своими действиями так или иначе стабилизировать ее положение. Без оператора "уровень организации" оказывается сравнительно низким, приходится число ног увеличивать. Лишняя пара ног машины позволяет оператору избавиться от необходимости балансировать вместе с ней; позволяет заниматься вопросами управления, отойдя от нее на расстояние и не ощущая ее движений.
К настоящему времени уже разработано несколько типов многоногих шагающих машин. С вопросами их создания, принципами построения и устройства удобнее всего ознакомиться на примере шестиногой машины, получившей название "Лунный пешеход" (США).
В отличие от ноги шагающего грузовика каждая нога "Лунного пешехода" автоматически движется по наперед заданному закону, который определяется структурой и размерами специального механизма, приводящего в движение ее бедро и голень. Посредством этого механизма вращательное движение электродвигателя преобразуется в шаговые движения ноги. В корпусе машины помещаются два одинаковых устройства — приводы для четырех левых и четырех правых ног.
Кинематика шага, определяющая траекторию движения ноги, включает четыре интервала: 1) опорный, занимающий половину времени движения ноги; 2) подъема ноги; 3) переноса ноги; 4) приземления ноги. Три последних этапа, на протяжении которых нога не касается опорной поверхности, также занимают половину времени одного шага. При такой кинематике восьминогая (или шестиногая) машина в процессе движения всегда опирается на четыре (или три) ноги и сохраняет устойчивое равновесие. Таким образом, геометрия движения машины полностью определена. Будучи пущена в определенном направлении, машина будет двигаться по гладкому участку дороги, взбираться по наклонным поверхностям, перешагивать через препятствия, "делая все возможное". Конечно, в пределах, ограниченных ее размерами и мощностью привода.
Шагающий поезд
"Лунный пешеход" — машина обратимого типа.
Это означает, что она шагает не только тогда, когда работает приводной механизм, но и в том случае, когда ее толкают или тянут, как, скажем, паровоз тянет вагоны. Значит, можно себе представить две или несколько таких машин, тянущих одна другую. Проект такого поезда, состоящего из пяти "пешеходов", и был разработан.
Цель проекта состояла в том, чтобы создать транспортную систему, проходимость которой по не приспособленным для передвижения поверхностям была бы в какой-то мере соизмерима с проходимостью человека. Разрабатывалась она для армейских нужд и предназначена для транспортного обслуживания пешего взвода. Головной "пешеход" выполняет функции тягача, четыре остальных — грузовые, по одному на каждое отделение взвода. Грузоподъемность четырех "пешеходов" достигает 500 килограммов, собственный вес каждой из машин около 100 килограммов. Тягач оснащен 30-сильным двигателем внутреннего сгорания.
Движением шагающего поезда управляют с помощью длинной рукоятки, расположенной в его передней части: в зависимости от того, тянет ее оператор или толкает, тягач переключается на передний или задний ход, ею же осуществляется управление поворотом. Размеры машины и ее шагающего механизма позволяют ей свободно перешагивать через неровности и препятствия высотой до 25 сантиметров.
До сих пор мы не пытались расшифровывать, что такое "поверхность, не приспособленная для передвижения по ней". Под это понятие, в общем, подходят и густой лес, и болото, и глубокий ров. Естественно, что, когда речь идет об оценке проходимости машины, надо оперировать более конкретными, не только качественными, но и количественными оценками состояния поверхности.
Механический "пешеход" должен передвигаться вместе с пешим армейским подразделением. Это, конечно, не значит, что он должен пройти там, где проходит без посторонней помощи солдат. Такое требование тоже было бы неопределенным — солдат может обладать навыками пловца, альпиниста. Да и не имей он их, все равно попытка построить машину, по проходимости полностью сравнимую с человеком, заранее обречена на неудачу.
Технические условия на "пешехода" были составлены в соответствии с требованиями материально-технического снабжения армейского взвода. Вот некоторые из этих условий: полностью нагруженная машина должна взбираться на тридцатиградусные склоны или проходить их по диагонали; удельное давление на почву, создаваемое стопой машины, не должно превышать 0,3 кг/см2; она должна взбираться на препятствия высотой 25 сантиметров, подходя к ним по уклону в 45 градусов, и сходить с них на уклон в 45 градусов; машина должна передвигаться по слою грязи, песка или гравия глубиной в 15 сантиметров; радиус поворота ее не должен превосходить 2 метров; она должна проходить между деревьями, растущими на расстоянии 120 сантиметров одно от другого.
Вот еще один пример, иллюстрирующий возможности применения стопоходящих машин. Речь идет о работе, выполненной Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе. Для самостоятельного передвижения больных с ампутированными или парализованными конечностями в медицинской практике используется кресло на колесах с электрическим приводом. Проходимость такого электрокресла сильно ограничена, оно может легко передвигаться лишь по гладкому полу, порог высотой 1,5–2 сантиметра представляет для него уже серьезное препятствие.
Была поставлена задача создать шагающее кресло для больного ребенка, сидя в котором он бы мог самостоятельно выйти за пределы помещения, погулять по саду и т. п. В конструкции был использован примерно такой же шагающий механизм, как в механическом "пешеходе". Восемь таких механизмов приводят в движение восемь ног. Независимые электроприводы для четырех правых и для четырех левых ног позволяют изменять движение кресла, а для управления движением достаточно иметь один рычаг. Опыт показал, что с задачей управления таким креслом больной ребенок справляется даже в случае, если он не может шевелить ни руками, ни ногами. Ему достаточно двигать головой, подбородком нажимая на рычаг управления, переводя его вперед или назад, направо или налево.
Вот некоторые из технических условий, которые были поставлены при проектировании электрокресла. Оно должно подниматься на бортик высотой 15 сантиметров, окаймляющий тротуары на улицах, и спускаться с него, ходить по песчаному берегу; ходить по неровной дороге с высотой неровностей до 10 сантиметров; устойчиво двигаться по уклонам до 15 градусов; иметь грузоподъемность не менее 30 килограммов.
Как видно, в некоторых случаях "бездорожными" оказываются дом с лестницами и порогами, улица с тротуарами и бортиками. Все, с чем так легко справляется человек, оказывается непроходимым для колеса.
