Проект Moonwalk – «Лунная прогулка». Управляем роботом, чтобы преступить общепризнанные границы

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 3(9) 2016

Многие технологии, которые сейчас распространены в нашей повседневной жизни, первоначально разрабатывались для космического пространства. Известные примеры включают в себя трансформирующиеся солнечные батареи, смягчающий пеноматериал (для шлемов) или системы защиты летательных аппаратов от обледенения. Космическая медицина позволила получить новые сведения о функционировании человеческого организма и поддерживает целый ряд изобретений, таких как программируемые кардиостимуляторы или инструменты для хирургии катаракты. В будущем предвидится хороший шанс, что команды астронавтов и роботов будут работать вместе на орбите или на поверхности планеты. Финансируемый ЕС (программа космических исследований FP7) проект MOONWALK (http://www.projectmoonwalk.net/) определяет новые подходы к сотрудничеству астронавта-робота.

Научная ориентация MOONWALK заключается в оценке новых технологий для взаимодействия космонавтов с роботами-помощниками на поверхности планеты. В период с 2013 по 2016 год целый ряд технологий и технических систем были продемонстрированы и протестированы в двух Земля-аналоговых моделированиях работы вне космического корабля (EVA) на Луне и Марсе.

Моделируемая деятельность вне космического корабля (EVA) на поверхности включала вход и выход из планетарной среды обитания (для этой цели использовалась наработка ещё одного научно-исследовательского проекта FP7: SHEE – саморазвёртываемая среда обитания для экстремальных условий), освоение и исследование места посадки, отбор проб почвы и экзобиологический локальный анализ, а также преодоление чрезвычайных ситуаций.

Была произведена оценка целесообразности небольшого вспомогательного вездехода (YEMO) для поддержки космонавтов в исследовании планетарных поверхностей, и в частности тех областей, которые являются слишком опасными для доступа астронавта (например, пещеры, крутые склоны или края кратеров). Марсоход оснащён набором новых разработанных инструментов для ручного отбора проб, блоком хранения образцов и портативным спектрометром комбинационного рассеяния.

Поскольку разработка робота сама по себе не являлась предметом проекта MOONWALK, YEMO представлял собой относительно простой робот с ограниченными функциональными возможностями. Однако, в зависимости от своего размера и конфигурации, модернизированные вспомогательные роботы в командах роботов-людей в состоянии поддерживать астронавтов в решении даже более сложных задач, как транспортировка материалов и оборудования, помощь в установке приборов, самостоятельный отбор проб, или поддержка в чрезвычайных ситуациях.

Цель технологий, разработанных в проекте MOONWALK, заключалась в оценке космического сотрудничества человека-робота и развития аппаратных средств для аналоговых моделей в Европе. Тем не менее, большинство из них тоже имеют значительный потенциал для инноваций в наземных приложениях.

Необходимое условие для инноваций

Отдельные технические компоненты, разработанные семью партнёрами MOONWALK, были объединены в комплексную миссию-архитектуру, которая послужила основой для марсианских и лунных экспериментов в рамках проекта.

Чтобы получить возможность существовать в жёстких условиях космической среды, астронавты должны носить тяжёлые и громоздкие скафандры. Даже в условиях невесомости эти костюмы значительно ограничивают естественную человеческую манёвренность и ловкость. Результаты разработки обеих процедур и технических систем для человека, или космической миссии человека-робота, можно отработать только на Земле, используя реалистичные макеты скафандров.

В проекте MOONWALK компания COMEX из Марселя разработала макет скафандра, который может имитировать ограничения реального скафандра (например серии Z-1 НАСА). Так называемый костюм «Gandolfi-II» может использоваться как на суше, так и под водой (с целью имитации пониженной или нулевой гравитации в условиях на Луне или на орбите). Таким образом, костюм является ценным активом для Земля-аналоговых моделирований широкого спектра космических полётов.

Костюм Gandolfi-II приближается в земной конфигурации, близкой к массе Z-1 скафандра (включая систему жизнеобеспечения) на марсианской поверхности. Под водой он имитирует вес подобного скафандра на Луне. Испытания марсианского земного аналога показали, что длительные планетарные внекорабельные работы в костюме такого веса могут быть весьма проблематичными. Астронавты будут иметь проблемы при ношении устройства в течение длительного периода времени, поэтому необходимо либо уменьшить вес будущих скафандров, или разработать специальные устройства для поддержки астронавтов во время длительных выходов.

LIQUIFER Systems Group разработала два различных инструмента, чтобы иметь возможность проводить отбор проб рыхлого грунта или мелких пород, которые можно использовать самостоятельно и которые можно сложить и хранить в маленьком вездеходе.

Пантографический инструмент для отбора проб использует технологию существующих пантографических инструментов. Тем не менее отсутствует какая-либо общеизвестная демонстрация этой конкретной концепции, а также информация о ней в качестве опытного образца для космических применений. Проектно-конструкторские работы MOONWALK в отношении подобного инструмента представляют новый вклад в его развитие.

Пантограф упрощает процесс взятия проб. Его раздвижная стрела освобождает астронавта от необходимости наклоняться (снижая риск падения), он оснащён съёмным совком для отбора проб различных материалов различных размеров. Инструмент также использует специальную коробку для хранения проб каждого образца, чтобы избежать перекрёстного загрязнения.

Складная подхватывающая лапка используется для сбора мелких пород, её характерной особенностью является манёвренность, которая позволяет астронавтам осмотреть образец перед смотровым щитком.

Прочий инструментарий, специально разработанный в рамках проекта MOONWALK, представляют собой аварийную рукоятку, чтобы помочь упавшему астронавту встать обратно на свои ноги, и страховочный кабель управления, который позволяет астронавту поддерживать (и стабилизировать) вездеход, например, на спуске вниз по крутому склону.

На этапе программы потенциальных наземных применений такие инструменты, как пантографический инструмент для отбора проб и складная подхватывающая лапка, можно дополнительно доработать для подводных работ, где чувствительность к сбору проб имеет важное значение. Последний можно адаптировать, чтобы усовершенствовать сопряжение сжатия человеческой руки с более чувствительным механизмом в его голове. Инструменты для отбора проб также можно использовать в неблагоприятных условиях окружающей среды, в том числе в сильно загрязнённых районах, таких как почвы, заражённые радиоактивными отходами, и площадки экологической очистки, или в таких экстремальных условиях, как в Антарктиде.

Планетоход-разведчик

Лёгкий планетоход амфибия YEMO сконструирован на основе планетохода ASGUARD, обе концепции являются разработкой Инновационного центра DFKI Robotics в Бремене, Германия. YEMO можно оснащать различными наборами колёс и, в частности, зубчатыми дисками ASGUARD, чтобы он был в состоянии преодолеть сложный рельеф местности и подняться по крутым склонам. Подобные функциональные возможности повышенной проходимости делают YEMO ценным инструментом для содействия астронавту в освоении интересных, но труднодоступных мест. YEMO оснащён блоком для хранения инструментов, образцов и научных приборов (например, портативного спектрометра комбинационного рассеяния).

Последующие наземные приложения могут включать в себя самоходные машины, подобные YEMO, которые можно использовать в поисково-спасательных операциях, ликвидации чрезвычайных ситуаций и даже потребительской робототехнике (например, в качестве домашней прислуги). Их специальная конструкция (зубчатые диски) и относительно низкая масса тела (начиная с 10 кг) допускает их комфортное разворачивание и позволяет им подниматься по лестнице и передвигаться по пересечённой местности лучше, чем другие колёсные или гусеничные системы.

Всенаправленная камера

Планетоход YEMO оснащён водонепроницаемой опцией всенаправленной камеры (OmniCam). Этот тип камеры способен записывать видео в диапазоне 360 градусов без участия подвижных деталей. Изображения в диапазоне 360 градусов могут выравниваться, и любой вид выбирается случайным образом, что позволяет нескольким операторам работать в одном видеопотоке одновременно. Потенциальные наземные приложения могут распространяться на роботов-наблюдателей или на гусеничные СУ для подводных научных исследований.   

Устройство сопряжения человек-машина (HMI)

Одна из ключевых задач проекта MOONWALK состояла в поиске решения, которое позволит астронавту в тяжёлом скафандре управлять роботизированным помощником. Стандартный интерфейс рукоятки управления не подходит, а вариант голосового управления хотя и приемлем, но громкий фоновый шум (вызванный циркуляцией воздуха в скафандре) и противоречивая связь с наземным управлением, делают его непрактичным. Проект MOONWALK провёл оценку альтернативных интерфейсов астронавт-робот, включая дисплей, смонтированный на груди, и управление с помощью жестов. Во время моделирования вариант управления жестами продемонстрировал свою достаточную целесообразность и удобство в использовании.

Управление жестикуляцией

Жесты можно использовать для взаимодействия и контроля как статических, так и мобильных роботов. В реальных условиях, особенно на открытом воздухе, управление жестами обещает быть более интуитивным и практичным, чем джойстики или другие традиционные устройства для дистанционного управления.

Для управления жестами в большинстве систем применяют 3D-камеры или инфракрасные датчики для отслеживания движений человека-оператора. В проекте MOONWALK использовался инновационный подход на основе инерционных блоков измерения (ИБИ), прикреплённых к верхней конечности астронавта или встроенных в скафандр. С помощью небольшого набора простых жестов астронавт в состоянии управлять движениями робота.

Основное преимущество управления жестами на основе ИБИ заключается в том, что астронавт в состоянии управлять планетоходом, и планетоход в состоянии контролировать движения и позу астронавта, исключая необходимость находиться в пределах прямой видимости и в условиях плохой видимости (например, песчаных бурь на Марсе). На Земле подобный подход предполагает новые интересные приложения в областях низкой видимости или в полевых условиях, когда типичным явлением представляется движение многих, потенциально мешающих объектов. Примером служат подводные среды, аварийно-спасательные работы, или даже промышленные применения. Потенциальной будущей итерацией подобной разработки станет «умная» одежда с датчиками, встроенными в ткани.

Интерактивные дисплеи

Более традиционный подход к управлению роботом с помощью астронавта, одетого в скафандр, заключается в использовании интерактивных дисплеев. Оба разработанных варианта крепятся либо на груди, либо на запястье. Оснащённые упрощёнными и базовыми пользовательскими интерфейсами эти инструменты позволяют астронавту управлять движениями робота даже при ношении громоздких перчаток. Как и управление жестами, интерактивные дисплеи можно использовать для управления роботами во время проведения многих видов наземных наружных и внутренних работ.

Универсальные функциональные возможности «следуй за мной»

У робота присутствует встроенная функция следования за астронавтом в автономном режиме. Подход, используемый в MOONWALK, предназначен для идентификации астронавта роботом в видеопотоке 360 градусов, который обеспечивает OmniCam. Посредством компьютерного обучения робот научился распознавать особенности астронавта. Такой общий подход не требует применения каких-либо маркеров или маячков, прикреплённых к астронавту, и функционирует с любой группой связанных друг с другом планетоходов или астронавтом.

Биомониторинг

Мониторинг физического состояния космонавта во время работы в открытом космосе (ВКД) имеет решающее значение, поэтому система биомониторинга для проекта MOONWALK эволюционирует от Airbus DS и состоит из измерительной системы сердечного ритма, которая получает информацию в результате различных типов напряжения в зависимости от изменения частоты сердечных сокращений (физическое напряжение по отношению к психологическому напряжению). Датчик для измерения частоты сердечных сокращений размещается непосредственно на коже космонавта – подобие устройства для измерения пульса, которое носят бегуны. Датчик биомониторинга осуществляет связь с приёмным блоком, они размещаются вблизи друг от друга, то есть в скафандре астронавта. Оба устройства являются изделиями, доступными на широком коммерческом рынке, и способны функционировать под водой.

Существует множество наземных приложений для этой технологии, в том числе в средах, где люди работают с критически важными системами безопасности, такими как пилотирование самолётов, управление воздушным движением, или там, где специалисты работают с техникой, требующей особого внимания. Интегрированные в одежду из «умной ткани» системы биомониторинга на основе концепции MOONWALK могут использоваться даже спортсменами или контролировать здоровье пожилых людей.

Информационная система ВКД (EVAIS)

Space Applications Services, Бельгия, занималась разработкой EVAIS в составе проекта MOONWALK: впервые передовая информационная система вне корабельной деятельности нашла своё применение в глубоководном погружении для частичного гравитационного моделирования. Подобный прототип компьютера установлен на скафандре для ВКД и позволяет астронавту визуализировать процедуры, а также контролировать базу/полёт, чтобы следить за прогрессом. Он обеспечивает функции голосового обмена, текст, видео в реальном времени, аннотированные изображения и телеметрию, а также служит в качестве средства для управления роботом (с использованием управления жестами или интерактивных дисплеев). При проектировании пользовательского интерфейса был использован человеко-ориентированный подход на основе исследований удобства и простоты использования.

Программное обеспечение EVAIS реализует программное обеспечение центра управления YAMCS, используемое для управления экспериментальным оборудованием на МКС. В основе обработки данных лежит вычислительный блок скафандра (SCA) – централизованное место для всей авионики скафандра, в том числе биомониторинга и управления жестами. Версия той же системы – модифицированной и облегчённой, чтобы выдержать воздействие запылённой среды, – была использована на земле для моделирования марсианских космических полётов.

Системы, подобные EVAIS, можно использовать для организации и контроля службы экстренного реагирования в чрезвычайных ситуациях и для прочих применений, где эффективность и безопасность людей-операторов зависит от тесного взаимодействия с центральным постом управления.

Международный аналоговый центр управления полётами (IAMCC) находится в компании Space Applications Services, недалеко от Брюсселя. Он был основан с целью, чтобы установить точки соприкосновения модифицированного прототипа компьютера для скафандра и информационной системы ВКД, предназначенной для проекта MOONWALK.

Команда состоит из опытных диспетчеров полёта на МКС и экспертов в области планетарной науки, которые проводят операции в режиме реального времени и поддерживают миссию из центрального расположения. IAMCC отвечает за все связи с операциями на местах в ходе марсианского моделирования. В этом случае коммуникации были с задержкой в семь минут (в одну сторону), а во время симуляции Луны минимальная задержка составила около одной секунды.

Проект MOONWALK способствовал разработке ряда технологий, которые можно использовать как в космическом пространстве, так и в наземных применениях. Наглядная таблица представляет собой резюме потенциального использования этих технологий в земных приложениях в ходе дальнейшего их развития.

Результаты проекта MOONWALK показывают, что исследование и использование космического пространства, безусловно, создаёт благоприятные условия для новых достижений и новых технологий. Экстремальные условия окружающей среды, которые являются характерными для космического пространства, требуют надёжных технических решений, которые выходят за рамки средних наземных применений.

Для космической робототехники, помимо надёжной мехатроники, – это высокий уровень автономии в принятии решений и, как в случае создания планетохода MOONWALK, новые методы взаимодействия между человеком и роботом.

Пилотируемый космический полёт является важным катализатором не только для начала концептуализации подобных решений, но и для поддержания душевного подъёма, чтобы пройти лишнюю милю на пути реального их достижения наших целей.

Авторы материала:

Д-р Томас Вегеле (Dr Thomas Vögele), немецкий центр исследований искусственного интеллекта, Бремен, Германия. Имеет докторскую степень в области компьютерных наук и искусственного интеллекта, полученные в Университете Бремена, и степень магистра наук в области геологии Университета Фрей, Берлин. Он является координатором проекта MOONWALK.

Доктор Барбара Имхоф (Dr Barbara Imhof), Космический архитектор, соучредитель и управляющий директор LIQUIFER Systems Group, Вена, Австрия. Космический архитектор, является одним из основателей и управляющим директором компании LIQUIFER Systems Group, Вена. В проекте MOONWALK она отвечает за ручные инструменты астронавтов, программы мероприятий и распространение.

Д-р Питер Вайс (Dr Peter Weiss), начальник отдела космических исследований и инноваций в компании COMEX, Марсель, Франция. Является главой отдела космических исследований и инноваций в компании COMEX. Он имеет 15-летний опыт работы в управлении промышленными и научно-исследовательскими проектами в области глубоководной и космической робототехники и моделирования ВКД. В проекте MOONWALK он является техническим координатором.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Project MOONWALK
 журнал ROOM №3 (9) 2016