Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
V rámci na projektu EU Eccerobot (http://eccerobot.org) je vyvíjen nový typ humanoidního, tzv. antropomimetického robotu, který bude nejen vypadat jako člověk, ale také se bude pohybovat a chovat se jako on. Umělé svaly tohoto ještě poněkud nevzhledného modelu jsou ovládány přesnými stejnosměrnými pohony firmy maxon motor ag (www.maxonmotor.com).
Úvod
Humanoidní roboty jsou v centru veřejného zájmu již delší dobu a vyvolávají různé typy emocí. Někteří lidé jsou fascinováni jejich progresivní technickou stránkou, zatímco jiní se obávají bezduché dokonalosti těchto strojů. Existuje mnoho příkladů takovýchto robotů, jako Asimo Honda, Albert HUBO korejského Institute of Technology, nebo robotky (robotické ženy) HRP-4 C vyvinuté v japonském National Institute of Advanced Industrial Science and Technology společně s firmou Kawada Industries. Když jsou tyto roboty představovány na veřejnosti, vyvolávají velký zájem, protože umí chodit, vyhýbat se překážkám a je možno si s nimi potřást rukou. Jsou však obvykle koncipovány jako průmyslové roboty, a jejich dlaně, paže a nohy jsou tuhé kovové končetiny, které jsou otáčeny a ohýbány elektromotory, velmi často motory Maxon.
Nicméně dvounohé roboty dnes fungují neuvěřitelně dobře, i když napodobování lidské chůze je mimořádně náročné. Lidské tělo neustále obnovuje polohu svého těžiště souběžně s dalšími změnami svých opěrných bodů a v souladu s mnoha dalšími faktory. Proto musí být průběžně podporováno mnoho pohybů robotu. Přitom musí být vypočteno mnoho přesných poloh jednotlivých končetin a poté provedeny příslušné pohyby. To zahrnuje obrovské množství dat a při sebemenší chybě může robot upadnout.
Výzkumný projekt Eccerobot je založen na zcela novém přístupu ke stavbě antropomorfních robotů s kostmi, svaly a šlachami. Vedoucí projektu Owen Holland uvádí: „Chceme postavit robot, který nejen vypadá jako lidská bytost, ale je i kopií vnitřní struktury a mechanismů lidského pohybového aparátu.“ Eccerobot je navržen tak, aby reagoval samostatně na různé situace a změny okolního prostředí, neboť tyto vlastnosti jsou nezbytné pro to, aby mohl působit v běžném životě, např. jako robotický pomocník v domácnosti nebo zdravotní sestra v nemocnici. Pak by měl Eccerobot mnoho dalších možností využití v servisních činnostech.
Kosti, svaly, šlachy – pohony s DC motory Maxon
Eccerobot je tvořen kostrou, skládající se z kostí a kloubů, která je velmi detailní replikou lidského modelu, a je podporována svalovou nástavbou – viz obr. 1. Vypadá to jako improvizace, ale vizuálně to opravdu připomíná člověka, ale ještě spíše strašidlo. Kosti a klouby jsou vyrobeny z polykaprolaktonu (PCL), známého také pod obchodním názvem Polymorf, který je velmi podobný polyetylénu. Tento materiál měkne při 60 °C, může být ručně tvarován podle potřeby, a když se ochladí, ztuhne. Může však být znovu zahříván a přetvarován tolikrát, kolikrát je to třeba. Snadno vydrží namáhání tažnou silou, za normální teploty je tvrdý, vzhledově podobný kosti, přitom ale zůstává v potřebné míře pružný. Jeho pevnost v tahu je 58 MPa, nejvíce ze všech polylaktonů. Navíc může být dále zpevňován přidáváním jiných materiálů jako třeba drátů, kovových tyčí nebo mříží.
Pohonný subsystém obsahuje pro každý sval jeden pohon. Jednotlivé akční členy jsou složeny z motorů Maxon s převodovkou, snímačem polohy a výstupním šroubem. Typickým prvkem akčního členu jsou motory maxon RE (obr. 2). Tyto komponenty vytvářejí krouticí moment přibližně 3 Nm při napájení z NiCd akumulátoru se jmenovitým napětím 6 V a mají volitelný směr otáčení. Opačnému než požadovanému směru otáčení brání volnoběžka. Výstupním šroubem akčního členu je poháněn sval složený z kousku kitelinu, který představuje šlachu, a z elastického pásku. Materiál Dyneema kitelin, známý také jako Spectra, je těžkomolekulární polyetylén (HMWPE) a je o 40 % pevnější než kevlar. Elastický pásek má jádro z přírodního kaučuku a je dostupný v několika tloušťkách.
Jak jsou ale generovány pohyby těla? Jako příklad vezmeme paži Eccerobotu (obr. 3). Ta se skládá ze dvou kostí vyrobených z polymorfu, na které jsou připojeny umělé svaly. Šlacha z kitelinu je upevněna jedním koncem na výstupní šroub převodovky a druhým koncem na kaučukový pružný pásek, připevněný na kost předloktí. Princip práce pohonu je velmi jednoduchý: navinováním kitelinu okolo hřídele se sval napíná nebo uvolňuje – v závislosti na směru otáčení motoru. Má-li nastat flexe svalu, motor se otáčí tak, aby se kitelinová šlacha navíjela na šroub. Tím se přes kaučukový pružný pásek pomalu zvedá předloktí.
Senzorický subsystém
Senzorický subsystém je složen z proprioceptivní, zrakové, zvukově-vibrační, setrvačné a hmatové jednotky.
Propriocepce čili vnímání polohy těla a jeho částí je předpokladem pro dobré řízení pohybu a interakce s prostředím. Pohony s velkou přesností jsou typicky používány v robotech s poměrně jednoduchým stanovováním relativní polohy. U Eccerobotu je pro vyhovující chování pohonů třeba mít informace z přídavných senzorů o natočení hřídele (délka svalu) a o napětí kitelinové komponenty (síla svalu). Pro dosažení kompromisu mezi přesností, cenou a rozsahem chyb jsou paralelně použity tři typy senzorů pro každý sval: tenzometry a senzory protažení pro snímání napětí v kitelinu a potenciometr pro snímání natočení hřídele.
Podobně jako člověk, bude robot vybaven dvěma „očima“, které představují jednotku zraku. Ta bude tvořena dvěma vysokorychlostními kamerami s vysokým rozlišením. Zpracování obrazu však klade velké nároky na procesorovou jednotku, zvláště při zpracování v reálném čase. Pro zajištění rychlého zpracování obrazu s vysokým rozlišením a komunikaci s hlavním počítačem s malou šířkou pásma se předpokládá rozšíření kamer o pole programovatelných hradel (FPGA), která zajistí efektivní předzpracování obrazu.
Zvukově-vibrační jednotka plní dvě funkce. Aby bylo možné udílet robotu ústní příkazy, je vybaven audiosystémem se dvěma mikrofony, které napodobují akustické a směrové charakteristiky lidských uší. V praxi ovšem může být ještě důležitější snímání vibrací a rázů. Proto je robot vybaven akcelerometry (MEMS), které jsou strategicky rozmístněny po celém těle.
Účinnost zpracování obrazu vizuální jednotkou silně závisí na stabilitě snímaného obrazu. Představme si člověka, který čte knihu a zároveň třese hlavou. Díky vestibulárnímu reflexu by byl i tak schopen text v knize přečíst. Jestliže by však místo hlavou třásl knihou, nebyl by schopen text přečíst, protože vizuální zpracování informace je o mnoho pomalejší než vestibulární reflex. Jedinou možností, jak kompenzovat tento pohyb, je implementovat do hlavy robotu setrvačnou měřicí jednotku, která vytvoří pro zjednodušení zpracování obrazu ekvivalent vestibulárního reflexu.
Pro manipulaci a možnost uchopení předmětů je nutné mít zpětnovazební informaci z hmatových senzorů. Proto se předpokládá použití taktilních senzorů nebo jejich matic, umístěných na konečcích prstů a na dlaních ruky robotu.
Subsystém řízení chování
Subsystém řízení chování se skládá z volní pohybové řídicí jednotky, mimovolní pohybové jednotky generující reflexy, bloku ECCEOS, který představuje fyzikální model robotu založený na simulaci, a poznávací jednotky (obr. 4).
Pro volní pohybové řízení byly vyvinuty tři řídicí přístupy, které byly integrovány do jediné hybridní architektury. Pro různé typy úloh proto může být vybrána nejvhodnější jednotka, a to buď pro klasické řízení, senzoricko-motorové řízení nebo řízení podle interního modelu.
Přestože reflexní pohyby nejsou volně řízeny, jsou nedílnou součástí globálního chování. Obecně vzato při reflexním chování je potřeba ovládat více než jeden sval (např. sval přímo a opačně působící), a proto reflexní řídicí systém nemůže být implementován na úrovni jediného pohonu. Jeden z reflexních pohybů je např. plánován pro implementaci vestibulárního reflexu. Další důležitou skupinou reflexů jsou ústup nebo couvání, jež jsou aktivovány např. v případě náhodného kontaktu s robotem.
Blok ECCEOS představuje počítačový model robotu založený na jeho fyzické podstatě a slouží k několika účelům. Je používán pro demonstraci a vývoj platformy pro všechny regulátory stejně jako vnitřní model pro plánování pohybu a monitorování chyb během vykonávání programu. Simulátor má tyto tři základní komponenty: grafický a fyzikální popis modelu, fyzikální nástroj (nutný pro detekci kolizí, simulaci a regulaci dynamiky akčních členů apod.) a grafický nástroj (pro vizuální zpětnou vazbu a interakci se simulovanou scénou).
Poznávací funkční jednotka stanovuje chování robotu. Obsahuje jednotku vnímání, plánovací jednotku, rozhodovací jednotku apod.
Závěr
Náplní projektu Eccerobot je z velké části základní výzkum, který nám má pomoci pochopit, jak funguje lidská inteligence. Bylo již zjištěno, že inteligence vychází nejen z mozku, nýbrž je také distribuována v celém těle. „Když jsme zvedli ruku, zbytek těla úplně změnil své postavení... Pohyby částí těla robotu jsou tedy ve vzájemném vztahu. Jsou-li příslušná senzoricko-motorická data kombinována s daty optického systému, v našem případě z kamery, najdeme vzájemné souvislosti, které mohou být poznány. Tímto způsobem může robot postupně identifikovat svou vlastní dynamiku a rozvíjet znalosti o svém vlastním těle,“ říká Rolf Pfeifer, ředitel laboratoře umělé inteligence na univerzitě v Curychu, která rovněž pracuje na projektu Eccerobot spolu s dalšími vysokými školami.
V současnosti je Eccerobot teprve na začátku vývoje. Prozatím fyzicky existuje pouze horní polovina těla, zatímco nohy jsou teprve konstruovány. Řídicí elektronika je umístěna v externí skříni, ale v průběhu dalších etap projektu bude celá implementována do skeletu robotu. Výsledkem projektu by měl být humanoidní robot, který se bude pohybovat v okolním prostředí po dvou nohách podobně jako člověk.
Firma maxon motor ag podporuje perspektivní projekty v různých oblastech. Bylo navázáno partnerství s Artificial Intelligence Laboratory (AI Lab) na University of Zurich pro podporu projektů, jakým je např. Eccerobot. AI Lab je zapojena do mnoha projektů na mezinárodní úrovni, a díky tomu jsou nejnovější vědecké poznatky implementovány již při vývoji produktů firmy maxon motor. V budoucnu budou všechny pohony Eccerobotu a všech humanoidních robotů vyvíjených v AI Lab vybaveny precizními motory, převodovkami a senzory této firmy.
Poděkování:
Tento příspěvek vznikl s podporou projektu specifického výzkumu Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně „Výzkum a vývoj nekonvenčních robotů a manipulátorů“.
Literatura:
[1] Riedmann, M.: maxon lässt die Muskein spielen. maxon post 1/2010, maxon motor ag., pp. 20-21.
Webové odkazy:
doc. Ing. Vladislav Singule, CSc.
Ing. Jiří Kovář
Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně
Obr. 1. Eccerobot je tvořen kostrou, skládající se z kostí a kloubů, a svalové podpory
Obr. 2. Pohled na sestavu motoru maxon RE s převodovkou a snímačem polohy, určenou pro roboty
Obr. 3. Princip pohybu paže Eccerobotu
Obr. 4. Struktura subsystému řízení chování
Společnost maxon motor v ČR a SR
Společnost maxon motor v České republice a na Slovensku zastupuje společnost UZIMEX PRAHA, spol. s r. o. Technici firmy zajišťují technickou podporu od vývojové fáze projektu až po jeho zavedení do výroby a zajištění spolehlivé logistiky dodávek. Kontakt včetně všech potřebných technických údajů, katalogů a zajímavých článků o aplikacích ve všech možných průmyslových oborech naleznou zájemci na
www.uzimex.cz.