Концепт дизайна костюма робота-экзоскелета

Содержание

Глава 1. Промышленный дизайн и дизайн роботов

Глава 2. Роботы для мероприятий

2.1 Недостатки

Глава 3. Обзор аналогов

Глава 4. Задачи и цели

Список использованной литературы

Глава 1. Промышленный дизайн и дизайн роботов

Проблема эстетического совершенствования машин, станков, приборов, средств транспорта, бытовой техники актуальна всегда. Из-за того, что внешний вид прибора часто определяет его конкурентноспособность на рынке, его разработке уделяется большое внимание. Отрасль дизайна, занимающаяся данным вопросом, называется промышленным дизайном. [1]

Индустриальный дизайн охватывает широчайший круг объектов: от проектирования наукоёмких, технически сложных изделий, определяющих хозяйственно-экономический потенциал государства, в частности продукции станкостроения, машиностроения, вооружения, средств транспорта, до дизайна предметов потребления, это бытовые приборы, аппаратура, инвентарь и прочее.

Мебель, медицинское оборудование, детские игрушки, все предметы, которые окружают нас, должны быть красивыми и удобными в использовании, этим и занимается промышленный дизайн.

Дизайн роботов

Важной, развивающейся областью промышленности является производство роботов, как следствие, дизайн роботов чрезвычайно востребован и не стоит на месте.

Разрабатывая внешний вид робота, дизайнеры отталкиваются от его конструкции и назначения.

Промышленные роботы

Ещё полвека назад никакая промышленность не могла функционировать без вмешательства человека. В наши дни всё это делается гораздо удобнее, безопаснее и быстрее, так как на службе у современной промышленности стоят производственные роботы.

Роботы выполняют возложенную на них работу качественно, быстро и эффективно, требуя при этом минимального вмешательства со стороны человека, которое, по большей части, сводится к контрольным функциям. С каждым годом наблюдается значительный рост роботизации промышленных предприятий; роботы паяют, сверлят, закручивают гайки и болты, устанавливают детали на изделие, красят и так далее.

% всех роботов в мире используются в промышленности. Также роботы активно используются на складах, в научных лабораториях, на изыскательных работах, в энергетической отрасли, медицине и космической промышленности. [2]

Тройка стран-лидеров на конец 2012 года (количество промышленных роботов на 10 000 человек):

Рисунок 0. 1 График количества промышленных роботов

) Южная Корея - 396 единиц;

) Япония - 332 единиц;

) Германия - 273 единиц;

Россия находится на дне данного списка, с показателем 2 робота на 10 000 человек.

Общее количество проданных роботов в мире с момента их появления (1960 год) до конца 2012 года, составило - 2 470 000 единиц. А если вычесть устаревшие и снятые с производства роботы (вплоть до 2000-ых годов), общая цифра задействованных промышленных роботов в мире, колеблется в интервале 1 235 000 до 1 500 000 единиц. [3]

Однако, при производстве промышленных роботов, их внешний вид не является определяющим фактором, гораздо важнее их надёжность и производительность, что не скажешь о бытовых роботах, для которых внешность не менее, а иногда и более важна, чем функциональность.

Бытовые роботы

Такие роботы предназначены для помощи человеку в повседневной жизни.

Выпускаются бытовые роботы, способные выполнять множество функций свойственных человеку. Это роботы автоматы, которые запрограммированы на выполнение определенных механических операций, требующих осмысления. Сейчас распространение бытовых роботов невелико, однако предполагается, что в обозримом будущем роботы будут распространены повсеместно и принимать участие во всех сферах жизни человека. [4]

Уже сейчас широко используются роботы-пылесосы - пылесосы, оснащённые искусственным интеллектом и предназначенный для автоматической уборки помещений. Робот-пылесос может производить уборку по определённому расписанию, либо по команде пользователя. Во время уборки робот самостоятельно движется по заданной поверхности, убирая с неё мусор. Встретив на пути препятствие, робот принимает решение о способе его преодоления на основе специальных алгоритмов. После окончания уборки большинство роботов самостоятельно возвращаются к зарядному устройству.

Роботы-мойщики окон, такие как Hobot 168 крепиться к стеклу за счет работы вакуумного насоса. Робот может быть использован на разных поверхностях, не зависимо от наклона и толщены поверхности. В робота встроен процессор и датчики, определяющие края стекла.

Специальный вакуумный датчик измеряет силу сцепления с поверхностью и определяет край очищаемой поверхности, поэтому можно не беспокоиться о его падении.

Роботы, следящие за комнатными растениями, домашними питомцами, помогающие в уборке, приготовлении пищи и других бытовых операциях постепенно начинают появляться в наших домах. Так как роботы разных производителей, созданные для одной цели, мало различаются с точки зрения конструкции, важным фактором при выборе домашнего робота является его дизайн.

Служебные роботы

Роботы способны сделать жизнь человека лучше не только дома, но и во многих социальных учреждениях, например в больницах.

Робототехническое направление в хирургии активно развивается во всём мире. Исследования и практические попытки создания роботов-хирургов идут уже свыше 20 лет, с середины 80-х годов прошлого века. С 2000 года с помощью роботизированных хирургических систем по всему миру уже провели свыше полутора миллионов операций. Россия в этом плане пока далека от лидирующих позиций. [6]

Использование роботов-хирургов позволяет выполнять высокоточные операции и исключить человеческий фактор. Однако, роботы полезны не только в проведении операций.

В Соединенных Штатах Америки создан робот, заменяющий медработника. Механический помощник по имени Лил Джеф работает в одном из госпиталей Нью-Йорка. Его обязанности - разносить и подавать врачам инструменты. Лил Джеф снабжен специальным навигатором, который позволяет ему безошибочно передвигаться в правильном направлении. А еще он умеет разговаривать, но пока в его лексиконе всего несколько фраз - "Спасибо", "Возьмите, пожалуйста, инструменты". Ну а если робот вдруг ломается, он начинает кричать: "Я застрял, вызывайте оператора!"

Так же разрабатываются роботы для помощи людям с ограниченными возможностями: сиделки и роботы-поводыри.

В Таиланде разработан первый в мире робот-охранник. Управление осуществляется через Интернет, при помощи пароля. Модель оснащена видеокамерами слежения и сенсорными датчиками, которые реагируют на двигающиеся предметы и температурные перепады. Но, кроме того, робот имеет огнестрельное оружие, которое может применяться по необходимости. При этом, все действия охранника контролируются командами оператора.

Идет активная разработка роботов-полицейских и патрульных.

В 2011 году к Международной космической станции отправился первый в истории человекоподобный робот-космонавт - Robonaut 2, человекоподобный робот без нижней части тела. Он способен выполнять различную полезную работу в условиях, где человек подвергается слишком большому риску. В его шлем вмонтированы четыре видеокамеры, благодаря которым устройство не только ориентируется в пространстве, но и транслирует с них сигналы на мониторы диспетчеров.

В 2013 году Аэрокосмическое агентство NASA в рамках конкурса DARPA Robotics Challenge создало своего собственного робота Valkyrie ("Валькирия"), который предположительно сможет стать членом космических экспедиций в рамках первых полетов на Марс. Устройство является совместной разработкой NASA и General Motors. Цель его запуска - проверка работоспособности всех систем в условиях космоса. Кто знает, возможно, в недалеком будущем такие помощники и будут составлять основную часть экипажа орбитальных станций и даже межпланетных кораблей.

Во многих сферах применяются роботы телеприсутствия - это набор технологий, которые позволяют дистанционно взаимодействовать с людьми или объектами. Чаще всего подразумеваются простые модели для конференций и прочих подобных нужд. На самом деле, многие из военных, космических и медицинских роботов имеют функцию телеприсутствия. В зависимости от сферы применения, они могут принимать и передавать как видео со звуком, так даже помочь с осязанием удалённого объекта.

В отличие от простой камеры с микрофоном, робот телеприсутствия или телеуправляемый робот может двигаться, ведомый дистанционно. Оператор получает возможность взаимодействия с тем местом, с людьми и предметами. Таким образом, можно посетить событие, которое находится далеко, и быть его полноправным участником. Отпадает необходимость использования людей в опасных ситуациях. Например, во время разминирования или химических опытов, для исследования завалов, после катастрофы на АЭС.

Исследовательские роботы

Роботы предназначенные для научных исследованиях в университетах, институтах и специализированных школах. Также для частных лиц, обладающие высокими навыками в области робототехники.

Самый распространенный исследовательский робот - разработанный французской компанией Aldebaran Robotics робот NAO.

Рисунок 0.2. Робот NAO

- представитель малогабаритных роботов, его высота 57см. Умный робот имеет несколько камер, которые постоянно контролируют происходящее вокруг, и различные датчики. Программная прошивка позволяет роботу общаться на девятнадцати языках, и даже шутить при необходимости. NAO обладает образовательным потенциалом для новичков робототехники, которые хотят постичь азы науки с самого начального уровня.

Код поведения робота - открытый, это помогает вносить собственные корректировки в его программу. Различные разработчики уже научили его танцевать, писать, подниматься по лестнице фотографировать пейзажи, имитировать движения человека. NAO уже используется более, чем в 350 университетах и исследовательских лабораториях, в том числе в России: в МГУ и РГГУ.

Еще один антропоморфный исследовательский робот - iCub, разработанный несколькими университетами и созданный Итальянским технологическим институтом.

iCub по размерам сопоставим с двухлетним ребенком и способен идентифицировать людей и объекты, находить различия между ними и взаимодействовать соответственно. Он также способен находить выход из сложных трехмерных лабиринтов самостоятельно. Он может трогать, хватать и поднимать предметы по требованию и даже стрелять из лука. Главная цель проекта iCub состоит в том, чтобы продвинуть "embodied cognition" (телесно-обусловленное познание), область искусственного интеллекта, которая сосредотачивается на объединении мозгов программного обеспечения машины с аппаратными средствами, которые позволяют ему взаимодействовать с окружающим миром.

Роботы в области развлечений

1)      Роботы-игрушки

Благодаря робототехнике, игрушки могут разумно реагировать на действия ребенка, помогать в обучении и развитии. Существует множество радиоуправляемых роботов, роботов-конструкторов, благодаря которым ребенок может сам собрать и запрограммировать собственного робота.

Роботы-животные и "тамагочи" развлекают детей, которые не могут иметь домашних животных.

Существуют роботы-спортсмены, среди них даже проводятся чемпионаты.

)        Аниматроники

Многие считают, что все несуществующие существа в фильмах (гоблины, инопланетяне, тролли и т.д.) создаются исключительно средствами компьютерной графики, однако, компьютер в киноиндустрии - это еще далеко не все, потому что компьютерный персонаж хорош не всегда и не везде.

Например, крупные планы - как ни рисуй, как ни старайся показать мельчайшие детали, все равно будет видно, что герой - не настоящий. И если режиссер стремится к реалистичности, компьютеру он предпочтет аниматронику - искусство создания электронных кукол.

Аниматронный герой "строится" с нуля, то есть со скелета. Очень подробно воссоздается внешняя оболочка - кожный и волосяной покров. При оформлении внешнего вида используется специальная краска, способная немного растягиваться при деформациях куклы во время движения. Роль внутренностей выполняют источники питания и различные механизмы, с помощью которых аниматронный персонаж и управляется. Внешний облик, движения и мимику делают максимально реалистичными.

Так же аниматроники применяются на различных выставках и представлениях, например на открытии олимпиады в Сочи использовались аниматроники, представляющие символы олимпиады.

Глава 2. Роботы для мероприятий

Одним из наиболее перспективных и пока мало развитых направлений в области развлекательных роботов является создание роботов для украшения различных выставок, парков аттракционов, праздников, презентаций. Уже проводятся даже специализированные мероприятия, посвященные развлекательным роботам, такие как Бал Роботов.

Для развлечения публики применяются аниматроники, роботы-игрушки, которые поют и танцуют, но гораздо большее впечатление производят роботы, которые могут общаться и взаимодействовать со зрителем.

На данный момент существуют несколько роботов, выполняющих эти функции:

)        Выше описанный робот NAO часто развлекает гостей на выставках, так как он может ходить, петь, танцевать и отвечать на вопросы.

2)      RoboThespian, создание британской компании Engineered Arts умеет поддерживать зрительный контакт, исполнять песню "Singin’ in the Rain". Движениями RoboThespian можно управлять с помощью планшета. Робот может угадывать настроение и возраст людей (хотя часто омолаживает людей) и посылать воздушные поцелуи перед тем, как исполнить песенку.

)        Японские реалистичные человекоподобные роботы

Даже с близкого расстояния этих роботов можно легко принять за обычных людей. Внешность устройств продумана до мелочей, даже зубы у них изготовлены из специального материала. Использование сложных механизмов внутри роботов дало возможность добиться очень реалистичной имитации движения мышц человека.

Большинство из них имеют дистанционное управление, однако постоянно остаются в сидячем положении. Двигается у них только верхняя часть туловища. При этом они могут двигать бровями, подмигивать и слегка наклонять голову из стороны в сторону. Кроме того, андроиды могут шевелить губами в такт своей речи, однако, по сообщению разработчиков, это пока остается слабым местом роботов и иногда происходит рассинхронизация движений и речи.

Наиболее совершенным роботом из данной категории является HRP-4C, также известная как Миим, это робот-гиноид, являющийся разработкой Национального Института Передовой Науки и Технологии (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)) - японского научно-производственного объединения и Kawada Heavy Industries.

Рост Миим составляет 159 сантиметров, а масса вместе с аккумуляторным блоком - 43 килограмма. Создатели смогли наделить своё творение более-менее реалистичными, антропоморфными чертами лица и тела. Она имеет типичное телосложение молодой японской девушки (цифры были получены из базы, содержащей данные измерений пропорций тела со всей страны). А за плавное движение робота отвечают 30 электромоторов и ещё 8 управляют мимикой лица. Миим может распознавать слова, обращенные к ней и интерпретировать окружающие звуки. Также она может петь, используя программный синтезатор вокала - Vocaloid.

Главным ее преимуществом среди аналогов является возможность самостоятельно передвигаться. За ее движение отвечает 38 электромоторов.

Миим подходит как для личного контакта со зрителем, так и для представлений перед большой аудиторией и успешно используется на мероприятиях в Японии.

2.1 Недостатки

1)      Высокая стоимость производства и аренды.

Обоснованная большим количеством сложной электроники, сложными и долгосрочными разработками конструкции и программного обеспечения.

)        Отсутствие способности большинства из них к самостоятельному передвижению.

Заставить крупного (в человеческий рост) робота передвигаться на собственных ногах, тем более сделать так, чтобы движения были плавными и аккуратными, технически сложно и затратно. Робот Atlas, созданный Boston Dynamics, движения которого считаются самыми совершенными среди гуманоидов на сегодняшний день, пока не может работать автономно, ему нужно постоянное питание от сети.

)        Недолгое время работы аккумулятора.

Что мешает проведению долгих представлений. Например время автономной работы робота NAO - всего около часа.

)        Отсутствие возможности работы с большой аудиторией

Все выше упомянутые роботы, кроме Миин, не рассчитаны на представления для большой аудитории. Их датчики улавливают команды только на небольшом расстоянии, также мешает и их небольшой размер.

Решение

Способом избежать выше упомянутых проблем является создание роботов-экзоскелетов - "костюмов" роботов, управляемых физически и электронно находящимся внутри него оператором. Их стоимость гораздо ниже стоимости автономных роботов из-за отсутствия необходимости в сложной электронике для обеспечения передвижения и искусственного интеллекта. В таких роботах механизмы используются, как правило, только для движения рук, пальцев, головы и преобразования голоса оператора.

Так же эти роботы прекрасно подходят как для общения с маленьким кругом зрителей, так и для большой аудитории.

Дизайн при создании таких костюмов имеет огромное значение. Чем более эстетически привлекателен, продуман и правдоподобен робот, тем большую востребованность он будет иметь на рынке.

Глава 3. Обзор аналогов

На данный момент на Российском и зарубежном рынках уже существуют подобные устройства, все они имеют свои достоинства и недостатки.

Titan the Robot

Рисунок 0.1 Titan the Robot

Был спроектирован в 2004 году британской компанией Cyberstein Robots, всего на данный момент существует пять таких костюмов.имеет высоту 2,2 метра и весит 47 кг (без человека). Общий вес (вместе с тележкой для транспортировки) - 350 кг. Обычно шоу Titan the Robot длится около 35 минут. Зарядка аккумуляторов для такого шоу занимает примерно час. Titan очень востребован и выступал на огромном количестве известных фестивалей, шоу, концертов и прочих мероприятий по всему миру. В 2014 году приезжал в Москву на выставку Бал роботов и на олимпиаду в Сочи.

Достоинства:

Красивый, современный дизайн, правдоподобные движения конечностей и головы, из-за чего зрителю сложно догадаться, что внутри сидит человек, продуманная система лампочек (в глазах и на корпусе), яркая индивидуальность, подчеркнутая внешним видом.

Недостатки: Со стороны дизайна серьезных недостатков не выявлено. Отсутствует в свободном доступе на Российском рынке.

NOX the Robot

Рисунок 0.2 NOX the Robot

Костюм-робот, разработанный студентами немецкого университета.

Перед началом выступления голова и ноги робота находятся в сложенном состоянии, затем робот "расправляется" и начинает сове шоу. Голова, как и у Титана, отделена от туловища.

Достоинства:

Как и предыдущий робот, подходит для представлений, имеет неплохие движения. Отделенная голова отвлекает от того, что внутри человек.

Недостатки:

Более громоздкий и менее детализированный дизайн. Не представлен в России.

Робот от студии Legacy Effects

Рисунок 0.3 Робот от студии Legacy Effects

Робот, созданный американской студией, специализирующийся на создании спецэффектов и аниматроников.

Робот имеет огромный рост и четыре руки: две маленькие, управляемые оператором, и две присоединенные к ним и повторяющие их движения большие.

Достоинства:

Впечатляющий рост, необычный дизайн.

Недостатки:

Вторые руки хоть и впечатляют, но из-за очевидной связи с руками пилота, не дают отвлечься от того, что это не настоящий робот. Не представлен в России.

Fox Sports Blue Robot

Рисунок 0.4 Fox Sports Blue Robot

Спортивный робот из Америки с минимумом электроники. Самостоятельно двигается только голова, вынесенная над головой оператора. Пальцы не двигаются.

Достоинства:

При небольших затратах на создание (минимум электроники, недорогие материалы), костюм вышел довольно неплох как раз за счет красивого дизайна. Хорошо подойдет для сопровождения спортивных мероприятий.

Недостатки:

Маленькое количество подвижных частей. Не представлен в России.

Роботрон

Рисунок 0.5 4.5 Роботрон

Единственный робот высотой 3 метра в России, который может общаться со зрителями.

Умеет ходить, петь, танцевать, общаться со зрителями, плакать и смеяться.

Предназначен для встречи гостей и для выступления на сцене.

Рассчитан на выступления, продолжительностью 30 минут.

Достоинства:

Похож на Titan the robot качественными движениями, не чувствуется, что внутри человек. Представлен в России.

Недостатки:

Странный, устаревший дизайн, негармоничные пропорции деталей, отсутствие разнообразия в материале, из-за чего части робота визуально "сливаются".

Роботы от компании Real Steel robot show

робот дизайн промышленный

Рисунок 0.6 Роботы от компании Real Steel robot show

Российские костюмы роботов с минимумом электроники.

Достоинства:

"Нескучный" дизайн, обилие подсветки, хорошо подойдут для детских праздников.

Недостатки:

Иногда слишком броский и "театральный" дизайн и перебор с подсветкой. Не двигаются пальцы, мало механики.

Костюмы KiberTron

Рисунок 0.7 Костюмы KiberTron

Костюмы, сделанные на основе персонажей фильма "Трансформеры".

Достоинства:

Понравятся детям и любителям фильма "Трансформеры", вынесенная над оператором голова.

Недостатки:

Похожи на увеличенные игрушки.

Итоги анализа аналогов

На основе анализа аналогов создадим сравнительную таблицу, включающую следующие критерии сравнения:

)        Эстетическая привлекательность

2)      Продуманность использования материалов

)        Гармоничное сочетание дизайна с конструкцией

)        Общее впечатление

В России уже существуют костюмы роботов для мероприятий, но обычно их дизайн неубедителен, поэтому спрос на нах не такой высокий, каким мог бы быть и они не могут конкурировать с зарубежными аналогами. У большинства роботов для презентаций не создается ощущение робота, конструкции, элементы выглядят добавленными "для декора" остается ощущение переодетого человека.

Глава 4. Задачи и цели

Задачи

Обозначим главные задачи при разработке дизайна костюма робота-экзоскелета:

)        Привлекательный внешний вид

2)      Соответствие трендам промышленного дизайна

Чтобы робот не выглядел устаревшим

)        Гармоничное сочетание с конструкцией

Важно скрыть участки конструкции, которые не следует показывать зрителю и добавлять объём и детали там, где необходимо.

)        Максимальное правдоподобие

Зритель должен быть отвлечен от того, что внутри находится человек, у него должно быть впечатление, что это настоящий робот.

)        Создание цельного образа

Для успешного участия в представлениях, робот должен быть цельным персонажем.

Цель

Цель данной дипломной работы - разработка концепта дизайна робота-экзоскелета для участия в мероприятиях в соответствии с поставленными задачами.

Список использованной литературы

1.      Б.Е. Кочегаров Промышленный дизайн 2006 г.

2.      Сайт Robo24.ru, статья "Промышленные роботы манипуляторы", http://robo24.ru/promyshlennye-roboty

.        Сайт robotforum.ru, статья "Мировая статистика: продажи роботов" http://www.robotforum.ru/novosti-texnogologij/svezhaya-statistika-mirovyie-prodazhi-robotov.html

.        Журнал Scientific American, статья "A Robot in Every Home", Билл Гейтс, 2007

5.      Сайт Robo24.ru, статья "Бытовые роботы (начало)", http://robo24.ru/node/4

.        Сайт prorobot.ru, статья "Россия планирует купить сотни медицинских роботов", http://www.prorobot.ru/medrobots/medrobots-russia. php

.        Сайт prorobot.ru, "NASA отправило в космос первого человекоподобного робота", http://www.prorobot.ru/22/robot_nasa_v_kosmos. php

.        Сайт hi-news.ru, статья "NASA показала робота "Валькирию", http://hi-news.ru/technology/nasa-pokazala-robota-valkiriyu.html

9.      Сайт robonovosti.ru, статья "Робот телеприсутствия", http://robonovosti.ru/texnologii/4138-robot-teleprisutstviya. htm <http://robonovosti.ru/texnologii/4138-robot-teleprisutstviya.htm>

.        Сайт hi-news.ru, второй выпуск программы про роботизированную технику, <http://hi-news.ru/robots/video-roboty-vypusk-2.html>

.        Сайт http://nanojam.ru, статья о домашних роботах, http://nanojam.ru/products/hobot-168

.        Сайт мероприятия "Бал роботов", http://balrobotov.ru/

.        Сайт hi-news.ru, статья "На выставке в Японии представлены реалистичные человекоподобные роботы", http://hi-news.ru/robots/na-vystavke-v-yaponii-predstavleny-realistichnye-chelovekopodobnye-roboty.html

.        Сайт dailytechinfo.org, статья "Atlas - самый сложный и самый совершенный гуманоидный робот на сегодняшний день", http://www.dailytechinfo.org/robots/4989-atlas-samyy-slozhnyy-i-samyy-sovershennyy-gumanoidnyy-robot-na-segodnyashniy-den.html

.        Сайт Titan the Robot http://www.titantherobot.com/

17.    Сайт компании Real Steel robot show, robot-show.ru

18.    Сайт http://www.kibertron.net/

.        Сайт компании импортера роботов Vizucom, www.vizucom.ru

.        Сайт www.designpf.com, статья "NOX the Robot at DESIGN PF" http://www.designpf.com/2013/04/stegreifprojekt-zum-ss13-mit-nox/