Status and Trends of the Anthropomorphic Robotics

The paper considers a number of current developments in the field of anthropomorphic robotics, namely robotic exoskeletons, android platform with copying control systems, android platform with autonomous control systems, avatars, and androids. Highlights the key subsystems of the robotic platform such as sensitization tools, tools of self-diagnostics, security and prioritization, a power subsystem, and computer system. Identifies the most important subsystem of a “future soldier” to represent an equipage as a multifunctional active exoskeleton, completed with the necessary equipment.

The paper shows the main problems the developers of anthropomorphic robotics face. For example, many degrees of the human body freedom curb a creation of the actuating mechanisms of robots, which fit the human anatomy as much as possible. For the human sizes the specific characteristics of traditional types of actuators, such as electromechanical, electro-hydraulic and electro-pneumatic are worse than those of the human muscles. Clearly, the greatest prospects in this area are associated with artificial muscles. There is also no so far a solution for the problem of creating the feedbacks in all kinds of senses to ensure that an operator has a feeling that he is in the place of the robot. There is much tension around the issue of creating a perfect remote control system that allows the operator to obtain unambiguous signals to control the robot. There is currently no completely autonomous control system with elements of artificial intelligence. Particular attention is paid to the problems of creating power sources that can provide affordable autonomy for mobile robotic systems. The most, presently, promising power sources are mentioned.

The paper considers some development aspects of the control system, which is capable to run in a copier, supervisory, combined and offline modes. Presents the most important functions of the robot sensory system. Shows some aspects of building control systems for advanced facility of anthropomorphic robotics, including systems with elements of artificial intelligence.

Taken as a whole, the analysis conducted shows that a revolutionary development of a number of key areas of the anthropomorphic robotics is possible.

1. Raytheon XOS 2 Exoskeleton // New atlas: веб-сайт. Режим доступа: http://newatlas.com/raytheon-significantly-progresses-exoskeleton-design/16479/ (дата обращения 13.11.15).

2. HULC. Exoskeletons Enhance Mobility and Increase Endurance // Lockheed Martin: веб-сайт. Режим доступа: http://www.lockheedmartin.com/content/dam/lockheed/data/mfc/pc/hulc/mfc-hulc-pc-01.pdf (дата обращения 13.11.15).

3. Kazerooni H., Steger R. The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton // ASME Journal of Dynamics Systems, Measurements and Control. 2006. Vol. 128, № 1. Pp. 14-25. DOI: 10.1115/1.2168164

4. Kazerooni H., Steger R., Huang L. Hybrid Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) // The International Journal of Robotics Research. 2006. Vol. 25, № 5-6. Pp. 561-573. DOI: 10.1177/0278364906065505

5. Экзоскелет Perseus // Военное обозрение: веб-сайт. Режим доступа: http://topwar.ru/39839-ekzoskelet-perseus-marketingovyy-pamflet.html (дата обращения 13.11.15).

6. Верейкин А.А. Расчёт исполнительных гидроцилиндров экзоскелета // Молодёжный научно-технический вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 5. Режим доступа http://sntbul.bmstu.ru/doc/569290.html (дата обращения 15.08.16).

7. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е., Каргинов Л.А., Кулаков Б.Б, Яроц В.В. Синтез кинематической схемы исполнительного механизма экзоскелета // Актуальные вопросы науки. 2014. № 8. С. 68-76.

8. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е., Каргинов Л.А., Кулаков Б.Б, Яроц В.В. Динамика исполнительного механизма экзоскелета // Техника и технология: новые перспективы развития. 2014. № 8. C. 5-16.

9. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Анализ и выбор кинематической структуры исполнительного механизма экзоскелета // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 7. Pp. 72-93. DOI: 10.7463/0714.0717676

10. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Каргинов Л.А. Исследование динамики исполнительного механизма экзоскелета нижних конечностей с учётом реакций опорной поверхности // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 12. С. 256-278. DOI: 10.7463/0815.9328000

11. Зельцер А.Г., Верейкин А.А., Гойхман А.В., Савченко А.Г., Жуков А.А., Демченко М.А. Концепция экзоскелета капсульного типа для аварийно-спасательных операций // Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 3. С. 14-22.

12. Жуков А.А., Демченко М.А., Верейкин А.А., Савченко А.Г., Зельцер А.Г. Архитектура системы управления экзоскелета // Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 2. С. 546-553.

13. Верейкин А.А., Савченко А.Г., Зельцер А.Г., Жуков А.А., Демченко М.А. Анализ некоторых факторов биомеханики человека как предварительный этап проектирования исполнительного механизма экзоскелета // Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 2. С. 1-11.

14. УКТ-3 // НПО Андроидная техника: веб-сайт компании. Режим доступа: http://npo-at.com/products/%c2%ab%d0%b0%d0%b2%d0%b0%d1%82%d0%b0%d1%80%c2%bb/ (дата обращения 13.11.15).

15. ExoHand // Festo Corporate: веб-сайт компании. Режим доступа: http://www.festo.com/cms/en_corp/12713.htm (дата обращения 13.11.15).

16. Androids and Artificial Intelligence Research at the Osaka University // EXPO21XX: веб-сайт. Режим доступа: http://expo21xx.com/automation21xx/17466_st3_university/default.htm (дата обращения 25.06.15).

17. MacDorman K.F., Ishiguro H. The uncanny advantage of using androids in cognitive and social science research // Interaction Studies. 2006. No.7:3. Pp. 297-337.

18. Антропоморфные роботы // Neurobotics: веб-сайт. Режим доступа: http://neurobotics.ru/robotics/antropomorphic-robots (дата обращения 13.11.2015).

19. Successful Development of a Robot with Appearance and Performance Similar to Humans // AIST: веб-сайт. Режим доступа: http://www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/2009/20090513/20090513.html (дата обращения 13.11.15).

20. Kaneko K., Kanehiro F., Morisawa M., Akachi K., Miyamori G., Hayashi A., Kanehira N. Humanoid robot HRP-4 – Humanoid robotics platform with lightweight and slim body // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2011, 25-30 September, San Francisco, CA, USA. Pp. 4400-4407. DOI: 10.1109/IROS.2011.6094465

21. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Гидросистема с программным управлением для роботизированного манекена // Научно-технический сборник. Вопросы оборонной техники. Санкт-Петербург, 2006. Сер. 9. № 2(219)-3(220). С. 64-66.

22. Ковальчук А.К. Разработка математической модели исполнительного механизма роботизированного манекена // Научный Вестник МГТУ ГА. 2011. № 168 (6). С. 128-131.

23. Humanoid robotic & programmable robots // Aldebaran Robotics: веб-сайт. Режим доступа: https://www.aldebaran.com/en (дата обращения 13.11.15).

24. NAO Humanoid Robot Platform // istec.org: веб-сайт. Режим доступа: http://www.istec.org/wp-content/uploads/2013/11/Datasheet_H25_NAO_Next_Gen_EN.pdf (дата обращения 13.11.15).

25. Mericli C., Veloso M. Biped Walk Learning On Nao Through Playback and Real-time Corrective Demonstration // Proc. of 9th Int. Conf. on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 2010). 2010, 10-14 May, Toronto, Canada.

26. Chestnutt J. Lau M., Cheung G., Kuffner J., Hodgins J., Kanade T. Footstep Planning for the Honda ASIMO Humanoid // ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2005, 18-22 April. Pp. 629-634. DOI: 10.1109/ROBOT.2005.1570188

27. Dedicated to the Science and Art of How Things Move // Boston Dynamics: веб-сайт. Режим доступа: http://www.bostondynamics.com/robot_petman.html (дата обращения 13.11.15).

28. SAR-400 // НПО Андроидная техника: веб-сайт компании. Режим доступа: http://npo-at.com/products/sar-400/ (дата обращения 13.11.15).

29. AR-600 // НПО Андроидная техника: веб-сайт компании. Режим доступа: http://npo-at.com/products/ar-600/ (дата обращения 13.11.15).

30. DARPA Robotics Challenge // TRECVT: веб-сайт. Режим доступа: http://www.trecvt.com/ (дата обращения 25.06.15).

31. Hopkins M.A., Hong D.W., Leonessa A. Compliant Locomotion Using Whole-Body Control and Divergent Component of Motion Tracking // Proceedings of the 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2015, 26-30 May, Seattle WA, USA. Pp. 5726-5733. DOI: 10.1109/ICRA.2015.7140001

32. Hopkins M.A., Hong D.W., Leonessa A. Dynamic Walking on Uneven Terrain Using the Time-Varying Divergent Component of Motion // International Journal of Humanoid Robotics. 2015. Vol. 12, no. 3. DOI: 10.1142/S0219843615500279

33. Atlas – The Agile Anthropomorphic Robot // Boston Dynamics: веб-сайт. Режим доступа: http://www.bostondynamics.com/robot_Atlas.html (дата обращения 13.11.15).

34. Kuindersma S., Deits R., Fallon M., Valenzuela A., Dai H., Permenter F., Koolen T., Marion P., Tedrake R. Optimization-based Locomotion Planning, Estimation, and Control Design for the Atlas Humanoid Robot // Autonomous Robots, 2015. Vol. 40, no. 3. Pp 429–455. DOI: 10.1007/s10514-015-9479-3

35. Feng S., Whitman E., Xinjilefu X., Atkeson C.G. Optimization Based Full Body Control for the Atlas Robot // 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). 2014, 18-20 November, Madrid, Spain. Pp. 120-127. DOI: 10.1109/HUMANOIDS.2014.7041347

36. Robonaut 2 // R2: веб-сайт. Режим доступа: http://robonaut.jsc.nasa.gov/ (дата обращения 25.06.15).

37. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Управление исполнительными системами двуногих шагающих роботов. Теория и алгоритмы. М.: Изд-во МГОУ, 2007. 160 с.

38. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Формирование упрощённой траектории движения двуногого шагающего робота // Известия вузов. Машиностроение. 2011. № 3. С. 51-58. DOI: 10.18698/0536-1044-2011-3-51-58

39. Ковальчук А.К., Кулаков Б.Б., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В. Основы теории исполнительных механизмов шагающих роботов. М.: Изд-во Рудомино, 2010. 170 с.

40. Ковальчук А.К. Стабилизация движения двуногого шагающего робота с управлением моментами на стопах // Известия вузов. Машиностроение. 2011. № 4. С. 40-45. DOI: 10.18698/0536-1044-2011-4-40-45

41. Compliant Humanoid Platform (COMAN) // IIT: веб-сайт института. Режим доступа: http://www.iit.it/en/advr-labs/humanoids-a-human-centred-mechatronics/advr-humanoids-projects/compliant-humanoid-platform-coman.html (дата обращения 13.11.15).

42. Moro F.L., Tsagarakis N.G., Caldwell D.G. Walking in the resonance with the COMAN robot with trajectories based on human kinematic motion primitives (kMPs) // Autonomous Robots. 2014. Vol. 36, no. 4. Pp. 331-347.

43. Moro F.L., Gienger M., Goswami A., Tsagarakis N.G., Caldwell D.G. An Attractor-based Whole-Body Motion Control (WBMC) System for Humanoid Robots // 13th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). 2013, 15-17 October, Atlanta, GA, USA. Pp. 42-49. DOI: 10.1109/HUMANOIDS.2013.7029953

44. Lin Z., Liu Z., Fu W., Dudney N.J., Liang C. Lithium Polysulfidophosphates: A Family of Lithium-Conducting Sulfur-Rich Compounds for Lithium–Sulfur Batteries // Angew. Chem. Int. Ed. 2013. Vol. 52, no. 29. Pp. 7460-7463. DOI: 10.1002/anie.201300680

45. Fuel Integrated FC Systems // HES Energy Systems: веб-сайт. Режим доступа: http://www.hes.sg/#!fuel-integrated-fc-systems/c15wk (дата обращения 13.11.15).

46. Fuel Cells // Energy.gov: веб-сайт. Режим доступа: http://energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells (дата обращения 13.11.15).

47. City Labs Achieves Industry’s First Product Regulatory License for a Betavoltaic Battery // City labs: веб-сайт. Режим доступа: http://www.citylabs.net/index.php?option=com_content&view=article&id=42:general-license&catid=8:news&Itemid=50 (дата обращения 13.11.15).

48. Физиология человека: Учебник / Под ред. Покровского В.М., Коротько Г.Ф. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Медицина, 2003. 656 с.

49. Психофизиология. Учебник для ВУЗов / Под ред. Александрова Ю.И. 4-е изд. СПб.: Питер, 2014. 464 с.

50. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько С.В., Романов М.П., Александрова Р.И. Развитие технологии интеллектуального управления для создания перспективных образцов ВВТ на базе новых средств комплексной автоматизации проектирования // Известия ЮФУ университета. Технические науки. 2013. № 3 (140). С. 7-14.

51. Разработка искусственной нервной системы гуманоидного робота (аватара) // Россия 2045: веб-сайт. Режим доступа: http://2045.ru/experts/28869.html (дата обращения 13.11.15).

52. Луцан М.В. Технологии, базирующиеся на идее ИИ. Материалы 54-й ежегодной студенческой научной конференции. Таганрог, 2007. Режим доступа: http://filosof.historic.ru/books/item/f00/s00/z0000970/st007.shtml (дата обращения 13.11.15).