Экскаватор получил управление по принципу экзоскелета

Все, наверное, хотя бы раз пытались достать игрушку из автомата с захватом — и уходили ни с чем, проклиная его конструкторов и ругая себя за неуклюжесть. А злиться тут не на кого: согласование движений джойстиков с перемещением крана с «когтями» контринтуитивно. Примерно та же история с экскаваторами — только масштабы больше, и возможные негативные последствия поэтому серьезнее. Неудивительно, что на отработку навыков управления такой тяжелой техникой уходят годы.

Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) решили сократить продолжительность обучения машинистов экскаваторов. Они разработали новый тренировочный интерфейс, который в будущем заменит привычные рычаги в кабине и получит тактильную обратную связь. Описание системы приведено в Journal of Computing and Civil Engineering.

«Это гораздо более естественный способ управлять машиной. С помощью этого интерфейса мы избавляем оператора от необходимости выстраивать массу мысленных связей, которые раньше были обязательны для управления экскаватором», — говорит инженер-механик Эрмано Кребс, руководивший разработкой.

По его словам, в перспективе экскаваторами можно будет управлять, как экзоскелетом.

«Вместо джойстиков сбоку от оператора может располагаться этот миниатюрный манипулятор, в который он помещает свою руку — почти как экзоскелет. Это позволяет управлять экскаватором прямо из кабины. А если работы ведутся в труднодоступных или опасных условиях, оператор может сидеть в трейлере за пределами площадки и управлять экскаватором удаленно с помощью того же манипулятора», — объясняет исследователь.

Группа Кребса занимается взаимодействием человека и робота, причем долгое время в центре ее внимания была физическая реабилитация. Накопленный опыт как нельзя кстати пришелся японскому производителю строительной техники Sumitomo Heavy Industries. Квалифицированные операторы тяжелых машин в Стране восходящего солнца стареют, а подготовка новых кадров требует много времени.

Результатом сотрудничества стал сначала манипулятор в виде стрелы и ковша. Затем разработали механическую руку и программное обеспечение, которое синхронизирует ее движения с виртуальной симуляцией экскаватора. Сочетание механического манипулятора и виртуального симулятора стало системой обучения операторов и управления экскаватором «интерфейс мирового пространства» (WSI), где под мировым пространством понимается все, что за пределами кабины экскаватора.

WSI испытали на добровольцах. В обучающих экспериментах в виртуальных моделях 15 реалистичных рабочих сред (строительные площадки, автомагистрали, лесные дороги, берега рек, горные выработки, а также городские и сельские участки) они учились как на новой системе, так и на традиционной. В каждой среде были предусмотрены разные виды работ — зачерпывание и выгрузка песка или гравия, рытье и выравнивание траншей, расчистка дорог от мусора, уборка веток у воды и дробление скальных пород и т. д.

Эксперимент был построен так, чтобы повторять задачи, которые оператор обычно выполняет в ходе недельного курса вождения экскаватора. В течение семи дней (по часу в день) добровольцы — как опытные машинисты, так и новички — работали с обеими системами, последовательно осваивая задания по нарастающей сложности.

Обученные по старинке новички сильно уступали профессионалам, а на WSI — почти достигли их уровня мастерства. Выросла и скорость работы: цикл копания/выгрузки — на 37%, засыпание песка в трубу — на 47%.

Сейчас команда работает над добавлением тактильной обратной связи в манипулятор WSI. Идея в том, что когда оператор выполняет движение, имитирующее, например, захват камней, манипулятор создает ответное усилие, чтобы человек физически ощущал тяжесть груза — для подтверждения, что он захвачен.

Концепция разработана с заделом на будущее — в перспективе ею можно будет оснащать разные виды техники. И тогда, надеются авторы, она станет простой в управлении настолько, что человек, впервые севший за пульт, сможет приступить к работе с первого же дня.

Как из «Звездных войн»: американцы восхитились советским шагающим экскаватором

Новый экзоскелет сделал виртуальную реальность физически ощутимой: видео

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX