Вечно молодая механика

Черный Г. Г.

Всё, что происходит вокруг нас и внутри нас - потоки автомобилей на улицах, полет лайнера в небе, внезапные катастрофические наступления ледников и обвалы снежных лавин, изгибание стального листа под штампом, взрывы угольной пыли в шахтах, пляска пылинок в солнечном луче, парение орла и стремительное плавание дельфина, неустанное биение сердца и ток крови в живом организме, - всё связано с движением и взаимодействием одних тел и сред с другими, с изменением их свойств при движении.

Человек, обладая разумом, стремится изучить и понять то, что происходит в природе, где все объекты движутся и взаимодействуют один с другим. Изучением движения и взаимодействия материальных объектов в природе и в человеческих творениях занимаются одна из древнейших наук — механика и её представители — учёные-механики.

Механика является научной основой большинства, если не всех, областей техники: промышленности, строительства, транспорта - сухопутного, водного, воздушного, космического, техники сельскохозяйственного производства, военной техники.

Рассмотрим лишь некоторые примеры в подтверждение сказанного, которые говорят о вторжении механики в области других наук и об успехе и чрезвычайной плодотворности такого вторжения.

Механика в создании шагающих роботов

Создание робототехнических устройств, наделение их всё более сложными функциями - важная перспективная задача техники, решение которой немыслимо без участия механики.

Одним из важных классов роботов являются шагающие роботы, предназначенные для перемещения по труднопроходимой местности. В отличие от колёсных и гусеничных машин, имеющих непрерывную колею, шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые точки поверхности. Поэтому шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для экологии некоторых районов (например, тундры). Однако это преимущество шагающего аппарата порождает сложность его конструкции. Большое число управляемых степеней свободы аппарата приводит к необходимости использования высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить обработку информации о местности, по которой движется аппарат, принятие зависящих от этой информации решений о характере движения, контроль за их реализацией. Именно создание системы управления аппаратом центральная проблема конструирования шагающего робота.

Анализ существующих видов технических приводов свидетельствует, что по адаптивным способностям, экономичности они уступают двигательным аппаратам животных и человека.

Для одного из первых в мире шагающих аппаратов, созданных в Институте механики МГУ в 70-е годы прошлого столетия в лаборатории Е.А. Девянина, была выбрана схема «шестиножки» (рис.). Биологическим прообразом этой схемы явился рыжий таракан (прусак). Ноги таракана - универсальный биологический объект изучения для создания шагающей машины. Основным типом «походки» таракана является такая, при которой он в каждый момент опирается на три ноги, образующие треугольник, внутри которого располагается центр тяжести тела. Это существенно облегчает проблему стабилизации, так как опорные фазы аппарата на три ноги статически устойчивы.

Каждая конечность шестиногого шагающего аппарата имеет три степени свободы и приводится в движение с помощью трех двигателей с редукторами. На конечностях установлены позиционные датчики, измеряющие углы поворота звеньев ноги. Система управления двигателями шагающего аппарата построена по иерархическому принципу. Она формирует управляющие сигналы, которые обеспечивают движение аппарата с автоматической адаптацией к малым неровностям поверхности, по командам оператора (или командам от верхнего уровня системы управления), задающего основные характеристики ходьбы и движения корпуса аппарата.

После появления в в Институте механики МГУ «шестиножки», которая получила имя МАША (МАшина ШАгающая), началось соревнование между США и СССР, что было обычным для того времени. С американской стороны выступал МакГи со своей командой, с советской — профессор Е.А. Девянин и его коллеги. В ответ на «Машу» МакГи и команда создали свою версию шестиногого робота (которая, однако, весила 136 кг). МаШа содержала много пионерных научных достижений. Было, в частности, установлено, что без информации об усилиях, возникающих между каждой ногой и опорной поверхностью, организовать «гладкое» управление ходьбой практически невозможно. Так появилось так называемое сило-моментное очувствление, которое использовалось в системе управления шестиногим и двуногими шагающими аппаратами, разработанными под руководством Д.Е. Охоцимского и Е.А. Девянина в Институте механики МГУ. Силовое очувствление существенно расширяет круг задач, решаемых шагающими и манипуляционными роботами.

Распад СССР, прекращение финансирования разработок роботов в России привели к тому, что американцы в робототехническом соревновании вырвались вперед. В 2005 году в Массачусетском технологическом институте группой Boston Dynamics по заказу министерства обороны США был создан четырехногий робот «Big Dog» (рис.). Этот четвероногий робот может ходить, бегать и преодолевать пересеченную местность. Энергию роботу дает бензиновый мотор, приводящий в действие гидравлическую систему.

Ноги робота скопированы с конечностей животных. В их конструкцию включены амортизирующие элементы, гасящие энергию удара. Длина робота составляет 1 метр, рост - 70 сантиметров, вес - 75 килограммов, что соответствует размерам крупной собаки. Робот снабжен бортовым компьютером, управляющим его передвижением в соответствии с окружающей обстановкой. Многочисленные сенсоры позволяют оператору робота отслеживать его местоположение, контролировать состояние бортовых систем робота. Робот чрезвычайно устойчив, при посторонних воздействиях (например, при сильном боковом ударе) он, подобно большой собаке, восстанавливает вертикальное положение. «Киберсобака» предназначена для «службы» в морской пехоте США, может идти со скоростью пять километров в час и преодолевать подъемы до 35 градусов. Может нести вооружение или иной груз общим весом до 50 килограммов. Создание этой машины было профинансировано агентством перспективных военных исследований США (DARPA).

Методы баллистического управления ходьбой

Важным классом шагающих механизмов являются двуногие машины. Еще в восьмидесятых годах прошлого века в Институте механики МГУ занялись созданием человекоподобного (антропоморфного) робота. Основная проблема и сложность управления двуногой ходьбой — необходимость стабилизации неустойчивой конфигурации, которая при выключенном управлении не может быть реализована. (Заметим, что «отключение» вестибулярного аппарата человека даже на одну секунду приводит к падению!)

Учёные-механики исследовали механико-математическую модель двуногого робота, представляющего собой плоский пятизвенный механизм, состоящий из корпуса и двух одинаковых двухзвенных ног без стоп. Ими была решена сложная задача синтеза движений двуногого шагающего антропоморфного механизма. Была разработана модель робота, которая получила имя «Рикша». В движение она приводилась с помощью двух ног, и одновременно имела еще и два колеса.

Ходьба аппарата, как и человека, представляет собой последовательность чередующихся одноопорной и двухопорной фаз. В одноопорной фазе аппарат опирается на одну ногу, другая нога при этом переносится. В двухопорной фазе аппарат опирается на обе ноги. Одноопорное движение считается баллистическим (пассивным), т.е. происходящим без приложения каких-либо активных воздействий (моментов) в шарнирах механизма. Двухопорная фаза считается мгновенной, так что управляющие моменты в шарнирах являются импульсными, вызывающими скачкообразное изменение скоростей звеньев. Ходьба сконструированного макета подтвердила применимость предложенного метода баллистического управления ходьбой.

В мире появились весьма амбиционные программы создания андропоморфных роботов. Так, организаторы и участники РобоКубка, проводимого в Японии международного соревнования мини-роботов, имитирующих футбольную игру, - намерены к 2050 году создать команду полностью автономных роботов-андроидов, способных выиграть у команды - чемпиона мира по футболу среди людей.

США в своих вооружённых силах намерены к тому же сроку полностью исключить участие человека на поле боя, заменив его различного вида «интеллектуальными» роботами.

Вечно новая ньютоновская механика

Завершу статью панегириком в адрес механики.

На современном этапе прогресс научного знания в значительной мере определяется проникновением в различные области науки методов математического моделирования.

Следует помнить, что метод математического моделирования возник в ньютоновской механике, с успехом опробован самим Ньютоном на ряде серьёзных задач. Разработка методологии создания сложных математических моделей принадлежит механикам, а затем была последовательно применена физиками, геофизиками, химиками, биологами, лингвистами, а в последнее время - социологами и экономистами. Модели механики необычайно наглядны. Ряд знаменитых физиков прошлого утверждал примерно следующее: «Ни одно физическое явление не может считаться до конца понятым, пока оно не сформулировано в терминах механики».

Замечательный механик и математик академик Алексей Николаевич Крылов писал в предисловии к его русскому переводу основного труда Ньютона: ««Начала Натуральной Философии» Ньютона составляют незыблемое основание Механики, Теоретической Астрономии и Физики». Лагранж назвал это сочинение «величайшим из произведений человеческого ума». Добавлю: ньютоновская механика - непревзойдённое достижение физики (натуральной философии) всей истории человеческой цивилизации. Она вечна. На её могучем древе появляются новые и новые ветви. Среди них - и ветви, выросшие из привитых на это древо черенков саженцев, взращённых в лоне других естественных наук.