Устройство телеприсутствия

Телеоперация — это управление машиной на расстоянии. Данный термин близок по смыслу к понятию «дистанционное управление», но чаще встречается в научных, академических и технических кругах. Он в основном ассоциируется с робототехникой и мобильными роботами, однако может применяться к самым разным устройствам, которыми человек управляет дистанционно^[2].

Телеоперация — основной термин, используемый в исследовательских и технических сообществах для обозначения управления на расстоянии. В отличие от телеприсутствия, данный термин не подразумевает полной иммерсивности: телеприсутствие — это подкласс систем, в которых оператор ощущает «присутствие» в удалённой среде, проецируя себя через робота. Одна из первых систем телеприсутствия, позволявшая операторам ощущать себя в удалённой среде с помощью всех основных чувств (зрение, слух, осязание), была «Виртуальные приспособления», разработанная в начале 1990-х годов в Лаборатории космических аппаратов Исследовательских лабораторий ВВС США. Эта система позволяла дистанционно выполнять сложные операции (например, вставлять штифты в отверстия), при этом оператор ощущал, будто он сам вставляет штифт, хотя задачу выполнял робот^[3][4][5].

Телеманипулятор (или телеоператор) — устройство, дистанционно управляемое человеком. В простых случаях команды оператора полностью соответствуют движениям устройства, например, в радиоуправляемой модели самолёта или привязанном глубоководном аппарате. При существенных задержках связи (например, при управлении планетоходами) или для снижения нагрузки на оператора (как в разведывательных беспилотниках) управление может быть непрямым: устройству выдаются маршрутные указания, а не индивидуальные команды. Более сложные устройства могут обладать частичной автономией, например для обхода препятствий (так реализовано в некоторых планетарных марсоходах).

Также используются термины «теле-черическая робототехника» (англ. telecheric robotics).

Две ключевые составляющие систем телеприсутствия — видео- и управляющие приложения. Удалённая камера обеспечивает визуализацию сцены. Установка камеры в перспективе, позволяющей максимально интуитивное управление роботом, — относительно новая технология, популяризированная научной фантастикой (в частности, рассказом Роберта Хайнлайна англ. Waldo, 1942), но реализовать её стало возможно только с развитием скоростных сетей и дисплеев высокого разрешения. Использование шлема виртуальной реальности, позволяющего управлять камерой движением головы, увеличивает интуитивность взаимодействия.

Однако комфорт зависит от задержки системы: лаг реакции, время обработки изображения и механики движения, оптические искажения, низкое разрешение — всё это может привести к так называемой «симуляционной болезни», которая усугубляется при отсутствии вестибулярной стимуляции при визуальной имитации движения.

К проблемам также относятся рассогласование движений пользователя и робота: ошибки калибровки, фильтрация сигнала, недостаточное разрешение для мелких движений, низкая скорость реакции.

Та же техника используется и для управления роботом, однако тогда вопросы координации глаза и руки становятся ещё более существенными, а напряжение и возможное раздражение пользователя усложняют эксплуатацию системы.

Традиционно роботов старались проектировать с минимальным числом степеней свободы, чтобы упростить управление. Однако современные вычислительные ресурсы позволяют создавать системы с большим числом степеней свободы, что делает движение роботов более похожим на человеческие и даёт возможность прямой телеоперации, когда пользователь управляет движениями робота собственными движениями^[6].

Интерфейс для устройства телеприсутствия может быть простым: например, традиционный монитор-клавиатура-мышь. Такой вариант не является иммерсивным, но отличается низкой стоимостью — в частности, используется в большинстве систем телеприсутствия через интернет. Ближайшей модификацией является джойстик, позволяющий более интуитивно перемещать робота по плоскости.

Профессиональные системы телеприсутствия обычно используют шлем виртуальной реальности с одноглазым или двуглазым отображением и эргономичным интерфейсом управления (джойстик, кнопки, ползунки, триггеры и др.).

Другие варианты интерфейсов объединяют полноценно иммерсивный виртуальный интерфейс и потоковое видео с реальных камер вместо компьютерной графики^[7]. Пример — управление роботом через омнинаправленную беговую дорожку в совокупности с иммерсивным дисплеем, когда робота приводит в движение человек, шагающий или бегущий на дорожке. Дополнительные элементы включают датчики температуры (ИК-термография), модули оценки угроз в реальном времени, просмотр схем устройств и др.

В 2020-х годах наметилась тенденция к более глубокой интеграции технологий виртуальной (VR) и дополненной (AR) реальности для управления роботами, что позволяет операторам достичь высокого уровня погружения. Примерами таких систем служат разработки, использующие VR-шлемы для полноценного удалённого управления. Так, в 2018 году японская компания Telexistence анонсировала прототип робота MODEL H, управляемого через VR с передачей тактильных ощущений^[8]. В 2023 году компания Pollen Robotics обновила своего робота с открытым исходным кодом Reachy, расширив его возможности для телеуправления с помощью VR^[9][10]. Подобные интерфейсы позволяют оператору видеть, слышать и взаимодействовать с удалённой средой, превращая робота в полноценного аватара^[11].

В 2020-х годах в сфере устройств телеприсутствия наметился ряд ключевых тенденций. Произошёл сдвиг от простых устройств в виде «планшета на колёсах» к разработке человекоподобных роботов, способных выполнять сложные физические задачи и представляющих собой новое поколение аватаров для удалённого присутствия. Одновременно производители начали массово интегрировать искусственный интеллект для улучшения автономной навигации и обучения роботов на основе наблюдения, например, путём анализа видео.

Особое внимание уделяется развитию гуманоидных роботов, которые всё чаще рассматриваются как универсальные платформы для телеприсутствия. Примерами служат робот Optimus от Tesla, который обучается выполнению задач под удалённым контролем оператора, робот от стартапа Figure, обученный готовить кофе после просмотра видео с действиями человека, и роботы Walker S компании UBTech, которые проходят тестирование на заводах по производству автомобилей.

Значимым событием в развитии комплексных систем-аватаров стало завершение в ноябре 2023 года конкурса ANA Avatar XPRIZE, целью которого было создание систем, позволяющих оператору видеть, слышать и взаимодействовать с удалённой средой^[12]. Победителем стала команда NimbRo из Боннского университета (Германия). Их разработка объединяет тактильную обратную связь и иммерсивное визуальное восприятие для потенциального применения в здравоохранении и при ликвидации последствий стихийных бедствий^[12].

Продолжается развитие интерфейсов на основе виртуальной (VR) и дополненной (AR) реальности. Эти технологии позволяют операторам достичь более глубокого уровня погружения. Например, на конференции IROS 2022 была представлена инновационная система телеприсутствия на основе VR. В 2023 году компания Pollen Robotics обновила своего робота с открытым исходным кодом Reachy, расширив его возможности для телеуправления с помощью VR.

За исключением программы «Аполлон», большинство исследований в космосе проводится с помощью телеробототехнических зондов. Для астрономических наблюдений используются роботизированные телескопы с дистанционным управлением. Советский Луноход-1 был первым управляемым в реальном времени (с задержкой около 2,5 секунд) планетоходом на Луне. Планетарные миссии NASA используют марсоходы, чьи действия программируются командами с Земли, что также представляет собой форму телеоперации с задержкой. Примеры — марсоходы MER, Curiosity. В случае марсоходов управляющие команды формировались «на день вперёд» и загружались на борт. На МКС используется двурукий телеманипулятор Dextre, также на станции был интегрирован человекоподобный робот Robonaut^[14] для экспериментов по дистанционному управлению. Кроме того, в 2017 году NASA вело разработку бортового свободно летающего робота в форме куба, предназначенного для использования на МКС в качестве робота телеприсутствия для специалистов центра управления полётами.

NASA рассматривает возможность широкого применения телеуправляемых систем^[15] для исследования планет с орбиты посредством семиэкипажа, находящегося на орбите планеты, вместо его посадки. В частности, в концепции Лэндиса предлагается управлять марсоходом с орбиты Марса, что позволит практически в реальном времени проводить исследования^[16]. Этот подход позволяет выйти за рамки классических телеробототехнических миссий с задержкой: операторы смогут испытывать эффект виртуального присутствия на других планетах^[13].

Широкое распространение видеоконференций на мобильных устройствах, планшетах и ноутбуках привело к стремительному росту рынка устройств телеприсутствия, помогающих создать ощущение физического удалённого присутствия. Спрос на такие решения, особенно в бизнес-сегменте, значительно вырос в период пандемии COVID-19^[17]. По оценкам на 2024 год, объём рынка мобильных роботов телеприсутствия составил около 317 млн долларов. Робот-аватар может по команде пользователя перемещаться и «смотреть» по сторонам^[18][19].

Существуют два основных подхода на базе видеоконференций:

• Настольные роботы телеприсутствия (desktop telepresence robots) обычно представляют собой смартфон или планшет, закреплённый на моторизованной платформе, вращающейся по команде удалённого пользователя для осмотра помещения.
• Передвигающиеся роботы телеприсутствия (drivable telepresence robots) имеют экран, установленный на самоходном основании. Ранние модели, такие как iRobot Ava 500, уже обладали функциями автономной навигации^[20]. В 2018 году компания Ava Robotics, выделившаяся из iRobot, представила обновлённого робота Ava. Значительным шагом в развитии стала модель Double 3 от компании Double Robotics, выпущенная в 2019 году. В отличие от предшественника Double 2, который требовал установки iPad, Double 3 стал полностью интегрированным устройством с функцией полуавтономной навигации: пользователь может указать точку на карте в помещении, и робот доберётся до неё самостоятельно, объезжая препятствия^[21][22]. Среди других заметных моделей — робот Ohmni, представленный в 2017 году^[23], и новое поколение роботов от GoBe Robots, выпущенное в 2020 году и оснащённое 4K-камерой и 21,5-дюймовым экраном^[17].

Традиционные системы видеоконференций и специализированные комнаты оснащаются поворотными камерами с возможностью удалённого управления, но именно способность простого разворота головы устройства во время встречи является ключевым преимуществом большинства роботов телеприсутствия. По этой причине появился специальный класс «настольных» роботов («роботы-головы» или «голова и шея»)^[24], которые позволяют свободно осматриваться во время встречи и легко перемещаются между локациями, не требуя навигации по помещению^[25].

Отдельные телеприсутствующие роботы используются для поддержки детей с хроническими заболеваниями, не имеющих возможности посещать школу; инновационные технологии позволяют сохранять социальные и академические связи, эффективно преодолевать чувство одиночества^[26].

Дистанционно управляемые подводные аппараты (РОВ, англ. remotely operated vehicle, ROV) применяются для работ в водах, где невозможно или опасно отправлять водолазов. Используются для ремонта офшорных нефтяных платформ, подъёма затонувших объектов, обследования кораблекрушений (в частности, «Титаник»), чаще всего находятся на кабеле, соединяющем их с командным центром на поверхности.

В области медицинских устройств и минимально-инвазивных хирургических систем ведутся интенсивные исследования по телеробототехнике. Системы роботизированной хирургии позволяют хирургам выполнять вмешательства через микроскопические разрезы, не вскрывая грудную полость.

Массовое применение роботы телеприсутствия получили в сфере телемедицины, особенно в период пандемии COVID-19, которая выступила катализатором для внедрения таких технологий. В 2020 году устройства стали активно использоваться для снижения нагрузки на медицинский персонал и минимизации рисков заражения^[27]. Роботы компании Ava Robotics, оснащённые автономной навигацией и системой связи от Cisco, сертифицированной по стандарту HIPAA, позволяли врачам на карантине проводить виртуальные обходы и консультации. Также медсёстры могли наблюдать за пациентами, не используя постоянно средства индивидуальной защиты, а сами роботы применялись для общения родственников с пациентами в инфекционных отделениях^[27][28].

В 2025 году было объявлено о партнёрстве между поставщиком телемедицинских услуг SynchronyMD и производителем роботов OhmniLabs для использования мобильных роботов OhmniCare в больницах в сельской местности^[29]. Проект направлен на решение проблемы нехватки медицинских специалистов в удалённых районах. Роботы позволяют врачам дистанционно проводить обходы, консультации и участвовать в экстренных вызовах. Пилотный проект в больнице в Фэрфилде (Айова) показал, что время реагирования в экстренных ситуациях сократилось на 50 %, а 90 % семей пациентов оценили консультации через робота как эквивалентные личным визитам^[29].

NIST разрабатывает наборы стандартов тестирования для аварийных служб^[30] и правоохранительных телеробототехнических систем^[31][32].

Значимым событием в развитии систем для удалённого взаимодействия стал конкурс ANA Avatar XPRIZE, завершившийся в ноябре 2023 года. Победителем стала команда NimbRo из Боннского университета (Германия), чья разработка, объединяющая тактильную обратную связь и иммерсивное визуальное восприятие, предназначена для потенциального применения в том числе при ликвидации последствий стихийных бедствий.

Технологии телеприсутствия находят применение и в быту, где на их основе создаются роботы-помощники и системы для удалённого мониторинга.

Компания Samsung активно развивает направление домашних роботов. На выставке CES 2019 был впервые представлен Samsung Bot Care — робот-компаньон для мониторинга показателей здоровья и напоминаний о приёме лекарств^[33][34]. В 2021 году компания показала обновлённую версию этого робота, а также Samsung Bot Handy — модель с манипулятором для выполнения физических задач по дому, например, загрузки посудомоечной машины^[35]. На CES 2024 был продемонстрирован обновлённый робот Ballie — мобильный проектор с ИИ, способный следовать за пользователем и управлять устройствами умного дома^[36].

Другие технологические компании также работают в этом направлении. Например, на CES 2024 компания LG анонсировала домашнего робота-агента с ИИ для управления умным домом и наблюдения за домашними животными^[36], а компания Apple, по сообщениям 2024 года, изучает сегмент домашней робототехники. Отдельное направление — создание роботов для помощи людям с ограниченными возможностями, примером которых является Labrador Systems Retriever, представленный на CES 2022, и для удалённого мониторинга дома, как Moorebot Scout (CES 2021).

Устройства телеприсутствия находят применение в промышленности для удалённого мониторинга объектов и управления производственными процессами^[37]. Развитие технологий, таких как 5G, способствует расширению их использования в промышленной и складской автоматизации. Так, в 2019 году компания Ava Robotics стала одним из победителей конкурса 5G Robotics Challenge, получив финансирование на разработку соответствующих решений^[38].

Отдельным направлением является использование телеуправляемых роботов для выполнения опасных или физически сложных задач. В 2019 году на выставке CEATEC компания OhmniLabs продемонстрировала роботизированные руки, управляемые удалённо в режиме реального времени^[39]. Развиваются и более сложные коммерческие системы, интегрирующие виртуальную реальность и тактильную обратную связь. Примером служит робот MODEL H, анонсированный японской компанией Telexistence в 2018 году и ориентированный на коммерческое применение.