Автономный корабельный гуманоид
Автоно́мный корабе́льный гумано́ид (англ. Autonomous Shipboard Humanoid, ASH) — двуногий человекоподобный робот, созданный в рамках научно-исследовательской программы Управления военно-морских исследований США (Office of Naval Research, ONR) «Автономный корабельный робот-пожарный» (Shipboard Autonomous Firefighting Robot, SAFFiR)[1][2]. Разработка велась в 2011—2015 годах[1][3] лабораторией робототехники и механизмов (RoMeLa) Вирджинского политехнического института, лабораторией GRASP Пенсильванского университета и лабораторией военно-морских исследований США (Naval Research Laboratory, NRL)[4][5][6]. Робот предназначен для автономного обнаружения и тушения пожаров, ликвидации повреждений и обследования корабельных помещений в условиях задымления, высокой температуры, в том числе, в условиях качки[5][7].
_in_November_2014.JPG)
История
Программа SAFFiR была инициирована ONR в 2011 году; к моменту испытаний в ноябре 2014 года разработка велась около четырёх лет[1][3].
Разработка велась на базе полноразмерного гуманоидного робота CHARLI (Cognitive Humanoid Autonomous Robot with Learning Intelligence), созданного в RoMeLa под руководством профессора Денниса Хонга и ставшего первым полноразмерным автономным человекоподобным роботом, построенным в США[8][9].
В 2012 году проект получил публичную известность под названием Autonomous Shipboard Humanoid (ASH); согласно публикациям того времени, планируемый к выпуску робот для ВМС описывался как усовершенствованная версия CHARLI[10].
К 2013 году этап ASH, как самостоятельная публичная фаза проекта, был завершён; подробности этого этапа флотом практически не раскрывались[2][4].
С 3 по 6 ноября 2014 года прототип прошёл огневые испытания на выведенном из состава флота десантном корабле-доке USS Shadwell (LSD-15), который находился в акватории Мобил-Бей (штат Алабама) и использовался Военно-морской исследовательской лабораторией США в качестве полигона для подобного рода испытаний[1][3][4].
По состоянию на 2014 год проект SAFFiR являлся частью более широкой программы Damage Control for the 21st Century (DC-21), направленной на разработку передовых технологий пожаротушения на кораблях с использованием робототехники[4].
В рамках программы DC-21 также разрабатывался беспилотный летательный аппарат-квадрокоптер, который должен был действовать в паре с SAFFiR: он использовал инфракрасные сенсоры и камеры для обнаружения очагов возгорания и построения карты локации, передавая данные роботу. Планировалось, что в будущем эта экосистема «умных датчиков», микробеспилотников и гуманоидного робота обеспечивала бы постоянный мониторинг состояния корабля[11][12].
Официальная презентация робота под названием SAFFiR состоялась в феврале 2015 года[1][2].
В 2021 году, согласно официальному информационному бюллетеню ВМС США, программа SAFFiR эволюционировала: Управление военно-морских исследований США (ONR) использовала наработки первоначальной программы для создания новых, более совершенных роботизированных прототипов с улучшенной мобильностью и расширенными автономными возможностями, способными эффективнее перемещаться в ограниченных пространствах и выполнять дополнительные функции на борту кораблей. Два таких прототипа — NADIA (в партнёрстве с Институтом человеческого и машинного познания (IHMC) во Флориде) и DRACO (совместно с Техасским университетом в Остине и компанией Apptronik) — предназначены для решения не только задач пожаротушения, но и удаления опасных материалов, а также обслуживания кораблей[13].
По состоянию на 2026 год официальных сообщений о развёртывании гуманоидных пожарных роботов на действующих кораблях ВМС США не публиковалось.
Конструкция
Робот проекта SAFFiR создан специалистами Лаборатории военно-морских исследований, Вирджинского политехнического института и Университета Пенсильвании при финансировании ONR[1][4][5][6]. Подробная техническая документация не публиковалась; основные сведения получены из демонстрационных материалов и пресс‑релизов.
Робот должен был удовлетворять требованиям по мобильности в ограниченном пространстве корабельных коридоров и трапов, обладать устойчивостью к высокой температуре и задымлению[14]. Манёвренность обеспечивалась комплексом датчиков, позволяющих ориентироваться в условиях плотного задымления. Робот оснащался системой подачи воды для целенаправленного тушения очагов возгорания и был рассчитан на воздействие высоких температур, характерных для судовых пожаров (включая пожары с горением топлива и химических веществ).
Проектирование SAFFiR велось в соответствии с философией «Unable, Unwilling, Unsafe» (не может, не хочет, не должен), сформулированной профессором Деннисом Хонгом: робот должен выполнять то, что человек не может сделать (выдерживать экстремальные температуры), не хочет делать (опасная работа в замкнутых пространствах) и не должен делать (подвергать себя смертельному риску). Эта философия является ключевым подходом лаборатории профессора Денниса Хонга (RoMeLa)[15].
Гуманоидная компоновка
Робот выполнен в виде двуногого человекоподобного робота, поскольку такая конструкция наиболее приспособлена для передвижения по корабельным помещениям с узкими проходами и трапами[2][16]. Конструкция робота имела 33 степени свободы; робот приводился в движение линейными последовательными упругими актуаторами (series elastic actuators) с шариковыми винтами и титановыми пружинами, расположенными параллельно вокруг суставов, что обеспечивало поглощение ударов и точное измерение усилий[8][16][17]. В каждой стопе был установлен шестиосевой датчик силы и момента, обеспечивающий точную ходьбу и стабилизацию[16].
Усовершенствованная система датчиков позволяла роботу ориентироваться в дыму, при жаре и высокой концентрации водяного пара. Верхняя часть корпуса и руки давали возможность манипулировать инструментами для тушения пожаров, такими как: шланги, переносные огнетушители и самонаводящиеся цистерны с огнетушащим веществом (PEAT)[14][2][18]. Тепловая защита корпуса, планировавшаяся к установке, должна была предохранять робота от воздействия огня, а взаимодействие с человеком обеспечивалось с помощью распознавания жестов, визуальных и голосовых команд[3][18].
Архитектура управления и алгоритмы ходьбы
В основе системы управления SAFFiR лежит гибридный позиционно-силовой подход (hybrid position/force control), который позволяет роботу адаптироваться к непредсказуемым поверхностям — от неровной палубы до гравия и песка. Для стабилизации центра масс (COM) независимо от типа поверхности используются два механизма обратной связи, значительно повышающих устойчивость bipedal (двуножных)-систем при несмоделированной динамике (все те физические эффекты и силы, которые не были учтены в математической модели робота)[19].
Траектории шага задаются с помощью улучшенной модели линейного перевёрнутого маятника (linear inverted pendulum model), которая учитывает динамику маховой ноги. Такой подход позволяет снизить требуемое управляющее воздействие для отслеживания траектории до 50 %[19].
SAFFiR считается первым двуногим роботом, которому удалось пройти по песку. Это достижение стало возможным благодаря архитектуре управления, эффективно модулирующей моменты реакции опоры вне зависимости от состояния поверхности[19].
Уникальная система привода
Отличительной особенностью является параллельный привод с линейными актуаторами на шариковых винтах, расположенными параллельно вокруг суставов[14][3]. Такая биовдохновлённая геометрия оптимизирует распределение нагрузок и обеспечивает диапазон движений, превосходящий возможности человека. В основе конструкции — лёгкий центральный скелет[3].
Сенсорная система
Робот оснащён мультимодальной сенсорной системой[1][5], включающей:
- стереоскопические тепловизионные камеры для обнаружения очагов возгорания и обеспечения видимости в условиях задымления[1][2][7][5];
- лидар (LIDAR) — вращающийся лазерный сканер для построения карты локации и навигации[1];
- стандартную стереокамеру для общего зрения[5][7];
- датчик газа для обнаружения опасных веществ[5][7];
- инерциальный измерительный блок (IMU) и шестиосевые датчики силы и момента в стопах, обеспечивающие баланс при ходьбе, в том числе, в условиях качки[16].
Защита и материалы
Корпус робота выполнен в основном из алюминия; в актуаторах используются титановые пружины[3][16]. Во время испытаний для защиты от воды, пара и сажи использовался специальный костюм типа дождевика[18]; кисти защищались перчатками, изготовленными студентами лаборатории[3]. В перспективе планировалась разработка термоизоляционных покрытий для защиты электроники от высоких температур[3]. В дальнейшем исследователи из NRL’s Advanced Materials Section разработали лёгкий, пластичный полимерный материал, способный сохранять форму при температурах до 500 °C (932 °F), что позволяло защищать электронику и механизмы робота в условиях экстремального жара[20].
Интерфейс взаимодействия
Робот способен выполнять задачи автономно, но для контроля и вмешательства предусмотрено участие человека (human-in-the-loop)[1]. Разрабатывались алгоритмы взаимодействия с пожарными посредством естественного языка и распознавания жестов[7][5]. В перспективе робот должен был действовать как член единой команды с моряками.
Уровень автономности и искусственный интеллект
На момент демонстрации в ноябре 2014 года SAFFiR ещё не мог автономно обнаруживать очаг возгорания — программное обеспечение для обработки данных с инфракрасной камеры не было интегрировано. Робот передвигался по карте, построенной оператором, который указывал целевую точку. Управление осуществлялось дистанционно, а сам робот требовал страховочного троса (safety tether), несмотря на наличие системы управления моментом для сохранения равновесия[12][21].
В перспективе планировалось наделить робота расширенным искусственным интеллектом, включая распознавание объектов, а также возможность следовать сложным голосовым командам. За когнитивные модели, отвечающие за взаимодействие с человеком и работу плечом к плечу с пожарными, отвечал Navy Center for Applied Research in Artificial Intelligence (NCARAI)[21][22].
Технические характеристики SAFFiR
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Проект | Shipboard Autonomous Firefighting Robot (SAFFiR)[14] |
| Разработчики | Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL), Вирджинский политехнический институт, Университет Пенсильвании[1][4][5][6][14] |
| Спонсор | Управление военно-морских исследований США (ONR)[14][2] |
| Бюджет | 4,5 млн долларов (на разработку к ноябрю 2014 г.)[3] |
| Рост | 5 футов 10 дюймов (около 178 см)[14][2][1] |
| Вес | 143 фунта (около 65 кг)[1][2] |
| Степени свободы | 33 DOF (Degrees of Freedom, степень свободы), параметры: ноги — по 6 DOF, руки — по 6 DOF, талия, шея, кисти — по 3 DOF[23][3][17] |
| Тип привода | Линейные последовательные упругие актуаторы (series elastic actuators) с шариковыми винтами и титановыми пружинами[8][16] |
| Система управления | Смешанное силовое и позиционное управление[14][7] |
| Источник питания | Аккумуляторные батареи[18][4] |
| Время работы | 30 минут пожаротушения (в перспективе до 1 часа)[14][2][18] |
| Сенсорная система | Стереокамера, стерео-тепловизор, лидар, газоанализатор[2][1][5] |
| Датчики обратной связи | Инерциальный измерительный блок (IMU, Inertial Measurement Unit), датчики силы/положения на актуаторах, 6-осевые датчики силы/момента в стопах[3][16] |
| Материал корпуса | Алюминиевый центральный скелет; титановые пружины в суставах[3][4] |
| Защита | Водонепроницаемый и термостойкий костюм[18][1] |
| Возможности движения | Ходьба во всех направлениях, балансировка в морских условиях, преодоление препятствий[23][5] |
| Управление | Телеоперация с возможностью автономного выполнения задач; распознавание жестов и голосовых команд[18][7] |
| Функциональные возможности | Манипуляция огнетушителями и пожарными стволами; метание гранат PEAT (Propelled Extinguishing Agent Technology) — самонаводящихся огнетушащих средств[7][17] |
| Статус проекта | Прототип, прошедший испытания на USS Shadwell (2014)[1][18] |
Сравнение с роботом Atlas и объективные ограничения
Внешне и функционально SAFFiR часто сравнивают с роботом Atlas от Boston Dynamics, разработанным для DARPA. Однако есть принципиальные отличия: в отличие от Atlas, SAFFiR на момент испытаний не мог работать без страховочного троса, был медленным и мог быть повреждён как огнём, так и водой. Кроме того, стоимость робота на тот момент была крайне высокой, что рассматривалось как основной барьер для массового внедрения[12][11].
Альтернативные применения
Технологии, заложенные в данном андроиде, могут использоваться и в других сферах. Эти возможности анализировались после признания проекта успешным на тестах ВМС. В частности, рассматривается применение подобной техники для тушения пожаров в зданиях, где температура опасна для людей, эвакуации пострадавших, а также в качестве робототехнических платформ для помощи при выполнении опасных работ[1][4].
Также отмечено использование аналогичных систем армией в качестве роботов поддержки, способных вести огонь. Другая область военного применения — эвакуация раненых с поля боя. Кроме того, разработки подобного рода применяются в хирургии — для выполнения деликатных процедур, которые сложно осуществить человеку[24].
Возможность адаптировать технологию к любым опасным видам деятельности делает подобного робота универсальным для экстремальных условий. Управление военно-морских научных исследований применяет подобные технологии уже длительное время, однако этот проект стал одним из крупнейших[14].