РЕАЛИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ АНТРОПОМОРФНОГО РОБОТА СРЕДСТВАМИ 3D-ПЕЧАТИ

Аннотация. Статья посвящена разработке механических конструкций для антропоморфного робота и их реализация методом 3D печати.

Ключевые слова: робототехника, 3D печать, антропоморфизм.

Актуальность

Сегодня роботы применяются почти во всех сферах человеческой деятельности. Все чаще начинают появляться роботы, созданные специально для контакта с людьми. И это не удивительно, мало кто из людей представляет свою жизнь без общения. Мы постоянно находимся в коллективе, стремимся познакомиться с новыми людьми, влиться в новую компанию и расширить круг общения, но особую потребность к такому роду коммуникаций испытывают дети. Благодаря общению они получают новую информацию, что помогает им познавать мир и учится взаимодействовать с окружающими.

Для внедрения роботов в жизнь человека мы должны предвидеть непреодолимую потребность в коммуникации. Люди объединяются в социальные сети, и интернет развивается, потому что у человека есть потребность в общении. Главной задачей в этом направлении является обеспечение коммуникации робота и человека как одного из основных качеств интеграции в обществе.

На сегодняшний день существует множество примеров, подчеркивающих это, например, голосовые ассистенты, такие как Siri, Google Assistant, Yandex Алиса и прочие. Продвинутые голосовые помощники могут, кроме выполнения непосредственных заданий, пообщаться на отвлеченную тему, рассказать анекдот или тост. Они обеспечивают роль собеседника, тем самым создавая впечатление настоящего общения.

Братья Стругацкие в своей повести “Волны гасят ветер” [6] приводили в пример качество ксенофобии, как одной из присущих черт человеческой психологии. Ксенофобия — это неприязнь перед чем-то незнакомым, неприятного ощущения к чему-то чужому и непривычному. Такая черта мешает нормальному восприятию объекта и затрудняет коммуникацию с ним. Для исключения ксенофобии робот должен быть антропоморфным.

Антропоморфизм — это перенесение человеческого образа и его свойств на неодушевлённые предметы [7].

Несоблюдение требований к антропоморфности предмета, с которым человек будет вступать во взаимодействие, поспособствует снижению коммуникации, как некоторая проекция ксенофобии в сознании человека при встрече с незнакомым и мало похожим на него объектом.

В данной научной работе за основу взят внешний вид робота, как одного из важнейшего фактора восприятия объекта. Так как робот является физическим объектом, то человек, при вступлении с ним в общение, в первую очередь будет смотреть на него. Робот внешне должен обладать антропоморфными чертами, чтобы не вызвать ксенофобию у собеседника.

Традиционными технологиями тяжело было реализовать такие конструкции. Это было дорого и недоступно. С появлением и развитием средств 3D печати выполнение подобных работ стало вполне возможным [1, 2, 3, 4, 8]. В рамках данной работы будет показан ход реализации плеч и головы.

В научной печати публикации про антропоморфные элементы встречаются в основном в технической литературе. В частности, в источниках, посвященных 3D моделированию и изготовлению антропоморфных элементов, таких как руки-манипуляторы [5, 9, 10].

Создание антропоморфных элементов методом 3D печати, стало основой данной работы.

Проблематика

В рамках проекта “робот-друг ФЕНиМчик” существовала необходимость выполнения требований к антропоморфности путем создания голосового интерфейса, анимации лицевой мимики и внешних конструкций, в частности головы и плеч.

Именно голова и плечи являются главными элементами, обеспечивающими антропоморфность, особенно во время коммуникации. Люди при общении в первую очередь обращают свое внимание на лицо, поэтому важно было разработать такую конструкцию, чтобы она удовлетворяла техническим и антропоморфным требованиям.

В качестве основных функций головы и плеч мы выделили:

1. Механически-конструктивное обеспечение функций лица и речи.
2. Обеспечение механической поддержки для головы со стороны корпуса робота.
3. Конструкция должна быть разборной для проведения монтажных работ.
4. Визуальное восприятие антропоморфных элементов, адекватное внешнему виду человека.

Конструкция содержит следующие элементы:

Голова

При создании головы необходимо было учесть размеры и расположение элементов электроники, которые находятся в ней.

Выполнены следующие технологические отверстия, реализующие антропоморфные и технические функции (см. рисунок 1):

1. В нижней части конструкции было выполнено отверстие для крепления головы к плечам и коммуникации проводов.
2. По бокам были выполнены отверстия для аудио сопровождения. Такое расположение было выбрано потому, что люди естественным образом воспринимают уши.
3. В голове было необходимо сформировать лицо с прозрачным экраном. Вследствие этого, было выполнено отверстие для визуального сопровождения.

Рисунок 1. Внешний вид конструкции головы

Для монтажа, голову было решено разделить на 8 частей. Чтобы обеспечить правильную сборку и сохранение формы, была создана система соединений с помощью шкантов (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Система соединения с помощью шкантов

Лицевая рамка

Для формирования внешнего вида робота, было принято решение сделать лицо с помощью светодиодных матриц (см. рисунок 3), поверх которых будет находиться прозрачная панель, световая пропускная способность которой соответствует длине волны излучения светодиодных матриц.

Рисунок 3. Расположение светодиодных матриц в лице

Данное решение было принято с целью скрытия элементов внутренних конструкций, а также исключения засветки, за счёт пропускания внешнего света во внутрь. По этой же причине все детали печаталась черным пластиком, чтобы весь свет, попадающий внутрь, поглощался.

Лицевая рамка была изготовлена как самостоятельный съёмный элемент конструкции. Такой подход был выбран с той целью, чтобы иметь свободный доступ к элементам электроники, находящимся внутри конструкции, без полной разборки узла.

Такой доступ необходим во время монтажа узла, проведения его технического обслуживания и ремонта. Данный подход хорошо оправдал себя в процессе опытно-тестовой эксплуатации, в частности во время депортации изделия на всероссийскую выставку “Дни Дальнего Востока” в Москве.

Возникла необходимость перезаписи кода лицевой анимации, что было реализовано за короткое время заcчёт частичного монтажа лицевой части головы.

Лицевая рамка поделена на 4 части, но в отличие от головы, сегменты крепятся друг к другу под другим углом (см. рисунок 4). Это было сделано специально для вставки стекла в пазы, а также для повышения механической прочности конструкции.

Рисунок 4. Лицевая рамка

Плечи

Плечи робота являются связующим звеном между головой и основным корпусом. Данный элемент должен обеспечить плавный переход от прямоугольных форм к округлым (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Полная конструкция головы и плеч

Для монтажа плеч, конструкцию разделили на 8 частей. Данное решение было принято с целью обеспечения максимальной устойчивости крепления к основному корпусу робота (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Плечи

Шейная вставка

Так как главной задачей данного робота является общение с детьми, его высота была выбрана, основываясь на этом (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Размер робота

Для возможности общения робота со взрослым человеком возникла потребность приподнять голову робота без механически-динамического подъёма. Для этого была разработана конструкция, продлевающая шею с небольшим наклоном (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Шейная вставка

Результаты

В результате были получены 3D модели головы, лица и плеч, а также была отработана технология конструкций, которые оптимизированы для 3D печати методом одного экструдера.

Вышеописанные конструкции, были применены в проекте “робот-друг ФЕНиМчик”, который был представлен на выставке “Дни Дальнего Востока”, которая проходила в Москве 2018 года (см. рисунок 9).

Рисунок 9. робот-друг ФЕНиМчик

Список литературы:

1. Александров В.В., Александрова В.В., Зайцева А.А., Хурс С.П. Цифровая технология 3D промышленного производств // Тр. СПИИРАН, 2010 г.
2. Астахова Т.Н., Капанов А.А., Косолапов В.В., Мещеряков Е.Е. Применение систем 3d-печати для прототипирования технических идей // Russian Digital Libraries Journal. 2017 г.
3. Игонина Е.В., Дружинина О.В. Особенности разработки и применения FDM-технологии при создании и прототипировании 3d-объектов // Современные информационные технологии и ИТ-образование 2017 г.
4. Матвеев С. Н. Моделирование изделий из полимерных материалов методом 3d-печати // Вестник Казанского технологического университета 2015 г.
5. Мороз И.Р., Степанов А.В., Рыжиченко А.И., Матлахов В.П. Разработка человекоподобного робототехнического комплекса // Журнал Современные материалы, техника и технологии 2016 г.
6. Стругацкий А. Н. Стругацкий Б.Н. Волны гасят ветер // АСТ, 2016 г.
7. Титова Т.А. Антропоморфизм как форма познания мира // Ученые записки Казанского государственного университета 2010 г.
8. Черепанов П.Ю. Технология быстрого прототипирования с применением 3d принтера // Уральский государственный университет 2017 г.
9. Bonini N., Iyer N., Kim D., Mathison K., Wellons L. Robotic Hand in Motion Using Arduino Controlled Servos // New Jersey Governor’s School of Engineering and Technology 2014 г.
10. Hemmelder F., Vinel R., Opris A., Mosseng J. 3D Printed articulated arm robot with IoT capabilities // 2018 г.