Рассмотрим примеры роботов для помощи людям с ограниченными возможностями здоровья
В предыдущих материалах Блога мы рассказали о роботах, созданных для развлечения, таких как миниатюрные роботы в «волшебных» шахматах или компактные роботы, которые могут «поселиться» у вас дома. Но сегодня мы расскажем о важной теме – роботы для помощи людям с ограниченными возможностями здоровья.
Согласно статистике ВОЗ, на март 2023 года в мире проживает около 1,3 миллиарда человек (а это почти каждый шестой человек, около 18%) с существенными ограничениями возможностей здоровья. Тяжелые формы инвалидности, при которых человек не может жить без специального ухода, распространены меньше: число таких людей в мире составляет около 3% (или более двухсот миллионов человек), но именно им приходится тяжелее всего.
В России, согласно данным Росстата, число людей с инвалидностью I группы составляет 1 280 000 человек (на 01.01.2023). Такие внушительные цифры приводят к тому, что учёные и врачи беспрестанно ищут новые и новые способы, чтобы помочь людям с различными ограничениями здоровья жить счастливую и насыщенную жизнь. В данном материале мы расскажем лишь о нескольких примерах.
Роботы - помощники
Роботизированные собаки-поводыри
Первая разработка, которую хотелось бы отметить, - это робот-собака-поводырь, созданная студентами Бингемтонского университета (штат Нью-Йорк, США). На рисунке ниже показан внешний вид этого робота.
Рисунок 1 - Роботизированная собака-поводырь (США)
Главной причиной начала работы над разработкой подобного робота стала дороговизна обучения и содержания собаки-поводыря. Согласно данным организации Guide Dogs of America, занимающейся подготовкой собак-помощников для людей с различными ограничениями возможностей здоровья (в частности, с ограничениями по зрению, с расстройствами аутистического спектра, а также ветеранов боевых действий, сталкивающихся с ментальными расстройствами), вывести, вырастить и выучить одну собаку-помощника стоит около $48 000 (около 4,5 млн рублей). Российская организация «Собаки-помощники» называет сумму от 750 000 до 1 200 000 рублей. И в эту цифру входят только стоимость покупки щенка у проверенного заводчика, его содержание и подготовка к работе в течение 1,5 лет, но ещё существуют расходы на содержание собаки в дальнейшем. У роботов в этом есть неоспоримое преимущество – им не требуется специальная подготовка, пища и отдых, а стоимость одного робота оценивается приблизительно в $1 500. Кроме того, робота можно запрограммировать, что не требует большого количества времени (в России средний срок ожидания собаки-помощника составляет около двух лет, поскольку один центр за год готовит около 25 собак) и даст возможность помочь большему количеству людей, которые в этом нуждаются.
Подобные разработки ведутся во многих научно-исследовательских центрах (в частности, в Испании и Австралии), и далее мы будем рассматривать устройство аналогичного робота, созданного в Высшем совете по научным исследованиям (Consejo Superior de Investigaciones Científicas, CSIC, Испания). У данного робота даже есть имя – Тефи (исп. Tefi), в честь института, входящего в состав CSIC, в котором робот был разработан – ITEFI (исп. Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información).
Рисунок 2 – Робот-поводырь Tefi (Испания)
В устройство Тефи входит несколько систем, основные из которых: системы навигации и ориентации, передвижения, компьютерного зрения и обработки информации.
В состав системы передвижения входит несколько электродвигателей/сервоприводов, обеспечивающих большую подвижность робота. По представленным разработчиками видео можно оценить подвижность данного устройства и сказать, что практически в каждом узле присутствуют миниатюрные электродвигатели (в частности, в лапах).
В модуль навигации и ориентации входит приёмник сигнала спутниковой связи, поскольку робот может использовать систему GPS и приложение Google Maps для ориентирования на местности, что очень важно для людей с ограниченными возможностями зрения в условиях городской среды. Кроме того, данная функция расширяет возможности человека, поскольку живая собака-поводырь способна запомнить около 30 маршрутов, а робот способен составлять маршруты на любой местности.
Камеры, информация с которых также поступает в общий блок управления, позволяют роботу различать объекты, а встроенный динамик даёт возможность взаимодействовать со своим владельцем с помощью звуковых сигналов, например, предупреждая об опасности.
В блок управления встроены программы для распознавания письменной речи, дорожных знаков и сигналов светофоров, что позволяет роботу максимально безопасно водить человека по городу.
Человек взаимодействует с роботом при помощи голосовых команд или поводка, что позволяет направлять робота в нужную сторону или останавливать. Голосовые команды также нужны для выбора уже заданных маршрутов или использования дополнительных функций (например, для вызова скорой помощи).
Но важно отметить, что в настоящее время данный робот подойдёт для использования только людьми с ограниченными возможностями зрения, поскольку ни один робот не сможет заменить настоящее животное-помощника, которое необходимо людям с расстройствами аутистического спектра или с ментальными расстройствами, например, ПТСР.
Сами же разработчики говорят, что их устройство в дальнейшем также предполагается использовать для использования людьми с деменцией, поскольку системы робота позволяют подключаться к интернету и использовать онлайн-календарь, что позволит роботу взять на себя функции не только собаки-поводыря, но и некоторые функции персонального ассистента (например, напоминать человеку о приёме лекарств или визите к врачу, вызывать такси). Но опять же, важно понимать, что ни один робот не сможет полностью заменить людей и животных в столь важной сфере.
Роботизированные руки
Роботизированная рука - переводчик на язык жестов
В более тяжелых случаях люди имеют не только ограничение возможностей зрения, но и слуха. В современном мире существуют специальные программы и заведения, призванные помочь таким людям социализироваться, но общение со зрячеслышащими всё равно остаётся проблемой.
Саманта Джонсон, выпускница Северо-Восточного университета (англ. Northeastern University, расположен в Бостоне, Массачусетс, США) по программе биоинженерии создала роботизированную руку, которая может переводить текст в язык жестов (в данном случае мы говорим об американском языке жестов – англ. American Sign Language, ASL, в каждой стране свой язык жестов). Это необходимо для того, чтобы слепоглухие люди могли общаться с людьми, не говорящими на ASL. Как говорит Саманта Джонсон, глухие люди могут использовать язык жестов или читать по губам, но для слепоглухих людей, речь должна быть чем-то, что они могут потрогать. Это приводит к необходимости «переводчика», который будет переводить речь в язык жестов, а слепоглухой человек, используя осязание, сможет понимать этот язык. Данное изобретение, названное Татум (англ. TATUM – Tactile ASL Translational User Mechanism – тактильный механизм для перевода с ASL) призвано стать таким переводчиком. В настоящее время эта разработка находится на этапе прототипов, и на рисунке ниже показан один из них.
Рисунок 3 - Роботизированная рука TATUM - переводчик на язык жестов
Джонсон надеется создать такой механизм, который сможет бегло переводить текстовую информацию (e-mail, сообщения, книги, СМИ и т.д.) на ASL. Очевидно, что для этого все узлы роботизированной конечности должны обладать огромной подвижностью, а каждая фаланга и запястье должны быть оснащены приводами с миниатюрными электродвигателями и датчиками положения. Информация о положении «пальцев» должна поступать в контроллер, где происходит обработка и преобразование текстовой информации в жестовую, чтобы устройство понимало, какой жест и какое слово оно сейчас показывает. Всё это требует очень точной настройки электроники.
В Китае ведутся аналогичные разработки, но уже ориентированные на глухонемых людей, для которых родным языком является китайский, и, соответственно, «переводить» робот будет уже с и на CSL (Chinese Sign Language – китайский язык жестов). Данная система основана на использовании социальных роботов (англ. Social robot), способных в автономном или полуавтономном режиме взаимодействовать с людьми (например, подобных роботов можно встретить в некоторых торговых центрах, где они, основываясь на вопросах, смогут помочь человеку сориентироваться и найти нужный магазин). В статье о данном проекте создатели отмечают, что среди различных подходов к взаимодействию между роботом и человеком (англ. Human-robot interaction, HRI) использование жестов приобретает всё большую популярность при разработке социальных роботов, и именно поэтому они были взяты за основу.
Для распознавания и статических, и динамических жестов используются не только датчики визуальной информации, как в большинстве подобных проектов, но также система захвата движения и сигналы поверхностной электромиографии (ЭМГ) с датчиков, установленных в специальном браслете. Сигналы с датчиков поступают в фильтр долгой краткосрочной памяти (англ. Long short-term memory, LSTM), где отсеивается ненужная информация, кроме жестов, а после поступает в контроллер, где обрабатывается. Блок-схема пути обработки информации показана на рисунке ниже.
Рисунок 4 - Блок-схема обработки информации
Данный робот должен стать «переводчиком» между глухонемыми и другими людьми. В настоящее время разработчики работают над тем, чтобы «научить» робота общаться на языке жестов, а также улучшить его восприятие информации.
Роботы проекта Robotics For Humanity (R4H)
Разумеется, существуют роботы и для помощи людям с другими ограничениями возможностей здоровья. Существует проект Robotics For Humanity (сокращённо – R4H, с англ. – Роботы для человечества), в котором принимает участие множество научно-исследовательских центров, чья деятельность направлена на разработку и создание роботов и роботизированных комплексов, которые должны помочь людям с ограниченными возможностями движения. Миссия данного проекта – помочь людям чувствовать себя полноценно и независимо. За время существования организации было реализовано более десятка успешных проектов, в разной степени облегчивших жизнь людям с особыми потребностями.
У истоков данной организации стояли компания Willow Garage, профессор Чарли Кэмп (англ. Charlie Kemp) из Технологического института Джорджии (англ. Georgia Institute of Technology) и семейная пара Генри и Джейн Эванс (англ. Henry and Jane Evans). В возрасте сорока лет в результате инсульта Генри Эванс практически полностью утратил способность двигаться и оказался прикован к креслу-коляске. В 2010 он увидел по телевизору Чарли Кэмпа, представляющего своего робота PR2 и подумал, что это может быть хорошей помощью для людей с ограниченными возможностями движения. Он связался с Кэмпом и вместе с Willow Garage они основали R4H. Робот PR2, разработанный Кэмпом и собранный Willow Garage, стал первой разработкой R4H.
Рисунок 5 - Робот PR2 от R4H
Как и большинство современных роботов, он обладал системой компьютерного зрения, но дополнительно у него были установлены камеры в предплечьях. Практически каждый узел робота включал в себя электродвигатели, что позволяло ему выполнять даже сложные с точки зрения мелкой моторики задачи вроде открывания бутылки пива. На рисунках ниже показано внутренне устройство робота, показанное Willow Garage, и, в частности, на втором фото видно два сервопривода с датчиками положения.
Рисунок 6 - Внутреннее устройство робота PR2 от R4H
Рисунок 7 - Устройство запястья робота PR2 от R4H
Однако, хоть PR2 и отличался большой подвижностью и широким функционалом, был очень дорогим ($400 000 на 2010 год), громоздким и тяжелым (около 180 кг), что делало его недоступным для подавляющего большинства людей с особыми потребностями. На данной момент наиболее успешной разработкой R4H с точки зрения функционала и доступности считается робот Стрэтч (от англ. to stretch – растягиваться, дотягиваться), разработанный летом 2021 года.
Рисунок 8 - Робот Stretch от R4H
Это относительно небольшой и лёгкий робот, которого легко может передвинуть один человек. Кроме того, его стоимость составляет $20 000, что, хоть и остаётся внушительной суммой, уже более доступно для большинства людей.
Стрэтч (Stretch) обладает значительно меньшей подвижностью и числом сочленений. По сути – это роботизированная рука, расположенная на опоре. Рука может передвигаться вверх и вниз вдоль опоры, а также вытягиваться на определённое расстояние. Основной рабочий орган, запястье, даже близко не напоминает человеческое, поскольку, по словам Кэмпа, был основан на кухонных щипцах.
Стрэтч (Stretch) может самостоятельно передвигаться между помещениями, избегая крупных препятствий. Его система не так совершенна, как у Тефи (Tefi), о котором мы рассказали выше, поскольку у него абсолютно другие функции. Такой минималистичный поход позволил не только сделать робота доступным для конечного потребителя, но и сосредоточиться на том, чтобы он качественно выполнял базовые функции. Через компьютерную программу Стрэтчу можно отдать указание поднять упавший предмет, поправить одеяло или почесать человеку голову с использованием расчёски. Как говорит Генри Эванс, он хотел сосредоточиться на простых, примитивных задачах, которые отнимают время у того, кто заботится о человеке с особыми потребностями. Стрэтч позволит им сосредоточиться на более важных вещах. Кроме того, использование робота позволяет людям с ограниченными возможностями движения снова выполнять многие действия самостоятельно. На фотографии ниже показано, как Генри Эванс играет в карты со своей семьёй, используя Стрэтча.
Рисунок 9 - Игра в карты с помощью робота Stretch
В настоящее время продолжаются разработки и исследования по улучшению автономности Стрэтча.
В нашем материале мы рассказали о роботизированных системах, которые созданы для помощи людям с ограниченными возможностями здоровья. Всё большее число научно-исследовательских центров занимается подобными разработками.
ИНЕЛСО является официальным дистрибьютором производителей миниатюрных двигателей, подходящих для использования во многих решениях, описанных в статье. Обратитесь к нашим специалистам для подбора двигателя или привода под ваш запрос.
При подготовке публикации были использованы открытые источники
А мы еще вернемся к Вам с новыми интересными материалами!
Смотреть другие материалы Блога
Шахматы из Гарри Поттера - магия или роботы
Какие компактные роботы могут поселиться в Вашем доме
Приятного чтения, а мы уже готовим для вас новые интересные материалы!