FEDOR (робот)

FEDOR
фото Habr.com
Тип	Антропоморфный робот
Разработчик	Россия
Производитель	НПО «Андроидная техника»
Первый полёт	2019
Начало эксплуатации	2016
Конец эксплуатации	2019
Основные эксплуатанты	Россия
Единиц произведено	1

FEDOR (Final Experimental Demonstration Object Research) — российский многоцелевой антропоморфный робот, аватар. Был разработан НПО «Андроидная техника» в сотрудничестве с Фондом перспективных исследований. Стал первым российским роботом, осуществившим автономный полёт в космическом корабле на МКС и дальнейшую работу на орбите 27 августа 2019 года с позывным Skybot F-850.

История создания

Конструкторы и разработчики

FEDOR был разработан магнитогорским научно-производственным объединением «Андроидная техника» по заказу Фонда перспективных исследований, став результатом эволюции ряда роботизированных платформ изначально не имевших нижних конечностей и представлявших собой торсовые конструкции для стационарной работы. Как отмечал руководитель проекта Национального центра развития технологий и базовых элементов робототехники ФПИ Сергей Хурс, «Андроидная техника» была выбрана как партнёр ФПИ из прочих 15 претендентов как наиболее опытная и перспективная: на её счету уже были около 50 созданных роботов для различных заказчиков, а собственный бюджет насчитывал в 2014—2016 годах около 500 миллонов рублей.

Итоговая версия FEDORa была представлена в августе 2016 года. Как сообщили разработчики, после принятия решения об отправке робота в космос, работы стали вестись в тесном взаимодействии с «Роскосмосом», ракетно-космической корпорацией «Энергия», научным институтом ЦНИИМаш и Центром подготовки космонавтов.

Предшественники

SAR-400. Фото kianews24.ru

Прямыми предшественниками платформы FEDOR были торсовые манипуляторы SAR-400 и SAR-401.

Информация о рабочем образце робота, способного выполнять мелкие операции с помощью манипуляторов, появилась в 2012 году. Было заявлено, что робот SAR-400 предназначен для работы в открытом космосе, может как управляться оператором, так и выполнять автономно несложные действия — закручивать шурупы, обследовать обшивку в поисках трещин и т. п. SAR-400 стал первым роботом космического назначения после манипулятора, разработанного для челнока «Буран» ещё в СССР.

Модернизированной версией SAR-400 стал SAR-401, появившийся в 2013 году — новая модификация стала более сильной и способной к расширенному кругу операций, требующих напряжения «рук». Оба они отличались от робота FEDOR отсутствием нижних конечностей и не могли перемещаться самостоятельно, а также гидравлическим приводом манипуляторов.

Назначение и возможности

Назначением робота FEDOR (версии с нижним конечностями и возможностью самостоятельного передвижения) при разработке было не только потенциальное участие в работе на орбите, но и широкий спектр земных задач, связанных с работой в опасных средах и ситуациях в рамках проекта «Спасатель» для МЧС России. Целью была отработка возможностей технического зрения, мелкой моторики и, главное, управления на базе копирующей сенсорики с обратными связями.

После завершения работ над итоговой версией в 2016 году, результаты проекта FEDOR были переданы сразу в два ведомств потенциальных заказчиков — «Роскосмос» и «Росатом».

Космическое перепрофилирование

После окончательного выбора именно космического назначения платформы, её пришлось подвернуть ряду изменений для соответствия требованиям работы в космосе и полётов на космических кораблях.

"Так как «Федор» изначально не проектировался под условия работы в космосе, нам пришлось основательно поработать над его усовершенствованием и приведением к минимальным требованиям действующих стандартов для научной аппаратуры, направляемой на орбиту. Нам пришлось полностью «перебрать» «Федора», поменять кабели, компьютеры, контроллеры, видеокамеры, частично заменить двигатели и редукторы, изготовить новые пластиковые элементы из специального пластика, допущенного для космического применения, и многое другое" — рассказывал исполнительный директор «Андроидной техники» Евгений Дудоров.

Существенные изменения претерпели и размерные показатели робота: уменьшен вес со 160 до 105 килограмм, чтобы уложиться в жёсткие требования к пассажирам космических кораблей «Союз»; ширина плечевого пояса была уменьшена до 48 сантиметров. Штатный ложемент космонавта в корабле «Союз МС-14» как слишком маленький был также заменён специально изготовленным креслом-рамой.

Устройство

Программная составляющая

FEDOR работает под управлением операционной системы Linux, в которую были внесены существенные доработки для улучшения взаимодействия в реальном времени. Управляющее программное обеспечение были написано на языках C++, C# и Python.

Электронная составляющая

Роботом управляет одноплатный компьютер, сочетающий высокую производительность, малые размеры и отсутствие необходимости в системе охлаждения. Большая часть электронных компонентов собирается на санкт-петербургских предприятиях «Абрис-Технолоджи» и Silicium.

Система управления

FEDOR способен действовать в двух режимах — автономном и копирующем. Первый нужен для выполнения относительно несложных задач, а второй — для действий, связанных с мелкой моторикой и специфическими операциями, требующими человеческий интеллект.

Удалённое управление роботом осуществляется с помощью специального костюма, в который облачается оператор. Благодаря 3D-очкам он видит всё «глазами робота», получая визуальную информацию с видеокамер FEDORа. Костюм оснащён большим количеством датчиков, считывающих движение с основных двигательных точек — пальцев, кистей, предплечий и рук целиком. Существует также вариант оснащения управляющего костюма системой обратной связи, которая сообщает степень усилия и сопротивления предметов, которыми оперирует робот. По заявлению создателей робота, им удавалось управлять на расстоянии до 4 тысяч километров (правда, с небольшой задержкой при передаче данных и ответных действиях).

Процесс управления в деталях описывается так: «Для обеспечения безопасности во время проведения экспериментов управление роботом осуществляется в режиме аватара, с помощью задающего устройства копирующего типа (ЗУКТ), который подключается к ноутбуку через USB соединение. На ноутбуке запущена система управления (СУ), передающая управляющее воздействие на робота через Ethernet. Робот и ЗУКТ будут находиться на МКС. ЗУКТ представляет собой металлический каркас с 32 степенями подвижности. Каркас крепится к оператору посредством лямок и специальных перчаток, которые позволяют отслеживать положение пальцев оператора. В каждой степени подвижности установлен 12-битный датчик углового положения, что позволяет измерять относительные углы поворота с точностью до одной десятой градуса».

Сенсоры и датчики

FEDOR оснащён следующим набором «органов чувств»:

— две видеокамеры

— тепловизор

— микрофон

— датчики навигационных систем GPS и ГЛОНАСС

— около 15 лазерных дальномеров

— гироскопической системой определения положения собственного тела из 48 датчиков, 2 акселерометров и двух датчиков давления

Получаемая от сенсоров информация попадает в систему распознавания объектов, которая способна различать типовые объекты, предметы и инструменты, а также препятствия, создавая трёхмерную схему окружающей обстановки, на базе которой робот принимает решение о том, как оперировать с окружающим миром.

Любопытно, что видеоканалы робота могут работать не только совместно (стереоскопически), но и раздельно — для выполнения двух рабочих задач одновременно.

Опорно-двигательный аппарат

Робот состоит из следующих деталей:

— головной модуль;

— корпусный модуль;

— модуль манипулятора — 2 шт.

— модуль захвата — 2 шт.

— опорный модуль — 2 шт.

Всего Fedor состоит из 15 тысяч деталей, из которых отечественных — около 75 %.

«Скелет» и «суставы» робота обладают 72 степенями свободы. Редукторы, бесколлекторные моментные двигатели и другие элементы двигательной системы сначала использовались импортные, а после запрета на поставки были заменены устройствами собственной разработки. Всего в роботе 48 двигателей.

Силовая установка и питание

Силовая установка обладает мощностью 13,5 кВт (20 лошадиных сил).

Система питания электроэнергией — двойная: по кабелю и от встроенного аккумулятора. При подготовке к космической миссии встроенные АКБ были использованы от скафандра «Орлан», в количестве двух штук.

Для избежания быстрого охлаждения при низких температурах, робот оснащён системой подогрева важных узлов.

Физические параметры

Вес — 160 кг (105 в космической версии).

Рост — 184 см.

Ширина плеч — около 52 см (48 в космической версии).

Возможности, навыки и умения

Повторяя моторику человеческого организма и управляясь удалённо в режиме «аватар», в котором робот точно копирует движения оператора, FEDOR с той или иной степенью ловкости способен воспроизвести все обычные для человека действия.

Выполнение практических задач

Подвижность

FEDOR способен ходить по ровной и пересечённой местности, подниматься по лестнице, а также передвигаться на четвереньках и ползти по-пластунски, перемещаясь под различными препятствиями. Вместе с тем, стоит отметить, что FEDOR не настолько мобилен как американские роботы компании Boston Dynamics и не может бегать и прыгать (что, впрочем, и не входило в его задачи при разработке). Однако он достаточно устойчив и способен восстановить собственное равновесие при толчке или другом внешнем воздействии. FEDOR способен также сесть на продольный или поперечный шпагат, и отжиматься от пола. Ещё одна интересная особенность — гибкая шея, позволяющая смотреть вертикально вверх.

Оперирование механизмами

Сильной стороной FEDOR являются операции с помощью «рук» — мелкая моторика манипуляторов позволяет выполнять такие операции как пайка микросхем, открывание двери с помощью ключа, использование пилы, молотка, огнетушителя, дрели и любых других инструментов, используемых человеком. На испытаниях робот успешно справлялся с вращательными движениями — открыванием вентилей, вращением рулевого колеса автомобиля, а также с полноценным управлением им (а также — квадроцикла) с помощью педалей и ручки КПП. Создатели также утверждают, что FEDOR может выполнять медицинские манипуляции — делать уколы и накладывать шины.

Стрельба из пистолетов

В апреле 2017 года FEDOR продемонстрировал стрельбу из пистолетов «по-македонски», то есть — с двух рук. При этом прицеливание и ведение огня велось в автоматическом режиме, без управления оператором. Как прокомментировал это Дмитрий Рогозин, «мы не терминатора создаём», а стрельба была призвана ускорить развития роботом собственной мелкой моторики, однако этот прецедент привёл к отказы иностранных компаний поставлять создателям FEDOR ряд комплектующих для робота, которые впоследствии были заменены российскими аналогами.

FEDOR продемонстрировал возможность поднять одной рукой вес до 20 килограмм.

Обратная связь с людьми

Изначально FEDOR не имел голосового модуля, однако накануне своей космической миссии он был установлен для общения с экипажем МКС.

Программное обеспечение позволило роботу говорить только на русском языке, однако разработчики отметили, что его речь может включать в себя элементы неожиданности: «Его ответы не всегда предсказуемы. Это просьба „Роскосмоса“. Чтобы космонавтам было весело с ним общаться. Так что в его ответы заложены недокументированные возможности. Так называемые пасхалки. Посмотрим, как это всё отработает». Было также уточнено, что ненормативной лексике FEDOR не обучен.

В ноябре 2019 года появилась информация, что робота готовят к использованию английского и китайского языков.

Стоимость

Совокупная стоимость всех работ, связанных с работами на платформой FEDOR, не разглашается. В СМИ упоминалось, что всего было потрачено около 300 миллионов рублей. Более конкретно Евгений Дудоров говорил о 25 миллионах рублей, которые были потрачены на комплектующие робота. Он также уточнил, что FEDOR стоил намного дешевле своего американского аналога Atlas стоимостью 18 миллионов долларов: «Мы такого подсчета не проводили, но точно могу сказать, что намного меньше, в разы».

Миссия Skybot F-850

См. основную статью Миссия Skybot F-850

Дальнейшее развитие проекта

«Испытатель»

Дальнейшее развитие робота FEDOR получило название «Испытатель» — роботы этой модификации будут собраны целиком из российских комплектующих и будут предназначены для полёта на космическом корабле «Федерация» и работы с большим количеством космической техники на МКС. В ноябре 2019 года представители НПО «Андроидная техника» анонсировали планы создать также следующую версию «Испытателя» — «Испытатель-2», которая в 2036—2040 годах должна будет отправиться на российскую лунную базу.

«Теледроид»

«Теледроид» — торсовый робот, не имеющий нижних конечностей, предназначенный для работы в открытом космосе на внешней части космического корабля или МКС. Предполагается, что робот получит компонентную базу, способную выдерживать отрицательные температуры, вакуум и солнечную радиацию, а работать будет в режиме «аватара», копируя движения оператора и избавляя его от необходимости покидать корабль. В планах — создание нескольких роботов, которые будут подвергнуты жёстким испытаниям на земле с целью выяснить предел их прочности. Также отмечается, что конструкция, базирующаяся на основе торса FEDORa получит гораздо более высокий уровень надежности.

Иностранные аналоги

Существуют различные иностранные человекоподобные роботы, по тем или иным критериям могущими считаться аналогами платформы FEDOR. Все они имеют по сравнению с ней определённые достоинства и недостатки.

Космический «конкурент» российского робота — американский Robonaut], напоминающий ранние, безногие версии российского робота, SAR-400 и SAR-401. В 2011 году он отправился на МКС для апробирования работы в условиях невесомости. В 2014 году у Robonaut появилась пара нижних конечностей, которые доставили на МКС на грузовом корабле и больше напоминали вторую пару рук, так как обладали большим количеством суставов и степеней подвижности. Эта версия получила название Robonaut 2.

Робот Atlas компании Bosotn Dynamics в космосе не работал, однако благодаря СМИ стал самым известным и продвинутым роботом-гуманоидом, способным повторять почти все человеческие движения. Однако, превосходя FEDORa в подвижности, он уступает ему в мелкой моторике — «Американский полувоенный концепт ATLAS тоже на орбиту не летал. Он развивается под эгидой фондаDARPA компанией Boston Dynamics с 1989 года. Сначала там работали с четырехногими системами для перемещения тяжелых грузов, боеприпасов в полевых условиях. С 2010 года они начали развивать двуногие платформы. Стартовали также с армейских заказов. Их исследования смещены в сторону прямохождения, поддержания равновесия, ходьбы по пересеченной местности. То есть развиваются те функции, которые помогут роботам быть мобильными. Наш концепт — более прикладной. Если у ATLAS 28 степеней подвижности, у нашего ФЕДОРа — 46. Нашему нужны руки, которые могут выполнять конкретную работу» — полагает Евгений Дудоров.

Японский робот Asimo может считаться близким к FEDORу проектом только технически, а не функционально, так спроектирован не для работы в опасных условиях или космосе, а для сервисных услуг и ухода за людьми.

Фотогалерея

• 

  Инфографика миссии Skybot F-850. Фото Rg.ru

• 

  Управление в копирующем режиме

• 

  Стрельба из пистолетов. Фото Mail.ru

• 

  Вождение автомобиля

См. также

• Фонд перспективных исследований
• Миссия Skybot F-850
• НПО «Андроидная техника»
• Робот
• Адаптивный робот

Ссылки

• Журнал «Русский космос», сентябрь 2019