Обычно человекоподобного робота создают поэтапно. Сначала инженеры выбирают размеры корпуса, длину конечностей, расположение суставов, двигателей и датчиков. Затем программисты учат готовую машину ходить, сохранять равновесие и брать предметы. При неудачной конструкции системе управления приходится постоянно компенсировать короткие руки, слабые приводы, ограниченную подвижность или неправильное распределение массы.
Разработчики ergoCub предложили другой порядок. Сначала они определили, какие задачи робот должен выполнять вместе с человеком, а затем подобрали под них физические параметры и алгоритмы управления. В расчётах учитывали не отдельную машину, а всю систему: человека, робота и предмет, который они переносят.
При совместном подъёме груза важна не только его масса. Положение рук, высота захвата, скорость движения и расстояние между коробкой и телом напрямую влияют на нагрузку. Если робот держит предмет слишком низко, человеку приходится сильнее наклоняться. Резкое ускорение заставляет партнёра менять позу и удерживать равновесие. Даже лёгкий груз может перегружать спину, если держать его далеко от туловища.
На первом этапе алгоритм подбирал форму и устройство робота. Он менял длину частей тела, распределение массы и характеристики приводов, а затем проверял каждый вариант при ходьбе и совместном подъёме предметов. Разработчики искали конструкцию, которая помогает человеку и при этом остаётся устойчивой и энергоэффективной.
Основным показателем безопасности выбрали нагрузку на пояснично-крестцовое сочленение, расположенное между нижним поясничным позвонком и крестцом. Во время наклона и подъёма тяжестей на данный участок действует большой момент силы. Нагрузка растёт, когда человек сильнее наклоняется или держит предмет далеко от тела.
После выбора конструкции инженеры настроили движения ergoCub. Робот получает данные от датчиков, отслеживает положение человека и оценивает нагрузку на его нижнюю часть спины. При изменении скорости, позы или положения рук машина корректирует траекторию, силу захвата и темп движения.
Внутренняя модель партнёра учитывает физические параметры человека и постоянно обновляется по данным датчиков. Благодаря ей робот не выполняет заранее записанную последовательность, а реагирует на действия человека во время работы. Если партнёр останавливается, ускоряется или начинает опускать предмет, ergoCub должен вовремя изменить собственное движение.
Разработчики называют подобный принцип совместным воплощённым интеллектом . В робототехнике воплощённый интеллект означает, что возможности машины зависят от программного обеспечения, строения корпуса, подвижности суставов, мощности двигателей и расположения датчиков. Программа не поможет короткой руке дотянуться до далёкого предмета, а точные сенсоры не исправят неустойчивую конструкцию.
При совместной работе к физическим возможностям робота добавляются особенности человека. Конструкция, удобная для самостоятельной ходьбы, может плохо подходить для переноски груза вдвоём. Поэтому инженеры подбирали параметры машины с учётом движений и нагрузки обоих участников.
Название ergoCub объединяет слово ergonomics, то есть «эргономика», и название более раннего человекоподобного робота iCub, на основе которого создали новую модель. Высота ergoCub составляет 150 см, масса достигает 55,7 кг. Размеры позволяют машине работать в помещениях и пользоваться оборудованием, рассчитанным на человека.
Во время испытаний робот вместе с человеком поднимал и переносил предметы разной массы. Машина следовала за партнёром и меняла движения в зависимости от его действий. Расчёты показали, что помощь ergoCub заметно уменьшала момент силы в пояснично-крестцовом сочленении по сравнению с самостоятельным выполнением задания.
Результат указывает на снижение механической нагрузки, но не доказывает полную защиту от травм. Риск зависит от веса предмета, частоты подъёмов, продолжительности работы, состояния здоровья и условий на рабочем месте. Полученные данные позволяют сравнивать способы выполнения одной задачи и выбирать менее тяжёлый для человека вариант.
Отдельные испытания проверяли ходьбу. По сравнению с iCub новая модель двигалась быстрее и расходовала меньше энергии. Улучшение обеспечили изменения в строении корпуса и системе управления. Распределение массы повысило устойчивость, параметры ног повлияли на длину шага, а характеристики приводов определили доступную скорость и силу движений.
Для совместной работы роботу недостаточно распознавать голосовые команды. При переноске предмета человек может неожиданно остановиться, повернуть, опустить руки или передать груз. Машина должна определить намерение по движению тела и силе контакта, после чего быстро перестроить свои действия.
В проекте также используют носимые датчики . Сенсоры измеряют положение и ускорение конечностей, а программа оценивает усилия в суставах и нагрузку на позвоночник. При опасной позе система может предупредить человека вибрацией, а робот способен изменить высоту захвата или принять на себя большую часть веса.
Подобные машины могут пригодиться на производстве , складах, при осмотре оборудования и в медицине. Робот способен поддерживать тяжёлую деталь во время сборки, переносить коробки вместе с сотрудником или доставлять инструменты. В больницах похожие системы можно использовать при перемещении пациентов, но подобная работа требует особенно точного контроля усилий и плавных движений.