Humanoidalny robot firmy Vecna może chodzić, biegać, podnosić ciężkie przedmioty oraz wchodzić po schodach na swoich ruchomych nogach z napędzanymi gąsienicami
Pewnego dnia zobaczysz go na filmie wideo, jak ratuje ofiary na polu walki, a może przejdziesz obok niego, kiedy będzie maszerował przez zatłoczony korytarz szpitala. W każdym razie na pewno nie będziesz przygotowany na pierwsze spotkanie z robotem Bear (Battlefield Extraction Assist Robot – Robot wspomagający ratowanie ludzi na polu walki). Nie jest to przecież robot do malowania samochodów. Opracowany w Massachusetts dla armii amerykańskiej, ma on jedynie dalekie powinowactwo z tysiącami 
robotów przemysłowych, które są jego przodkami. W skali robotyki jest czymś mniej niż robotem montującym linie produkcyjne, a czymś więcej niż… robot C3PO z Gwiezdnych Wojen lub Terminator Schwarzeneggera.
WYNALAZCA Daniel Theobald stwierdził, że robot Bear („Miś”) wypełnia lukę między małymi robotami do przeprowadzania kontroli, a zdalnie obsługiwanymi pojazdami
Pod wieloma względami robot ten sprawia wrażenie zaczerpniętego z kart historii fantastyki naukowej. W odróżnieniu od swoich poprzedników jego zdolność poruszania nie zależy od prowadnic, suwnic lub stołów obrotowych. Ma on nogi, kolana, łokcie i twarz. Wkrótce będzie kucał, podniesie osobę ważącą około 113 kg i zniesie ją po schodach. Co więcej, będzie mógł utrzymać równowagę, jeśli ranny żołnierz będzie się ruszał na jego rękach. Jest silny, mobilny, na swój sposób mądry… jest humanoidalny.
– Im dalej posuwamy się w pracach nad robotami, tym bardziej przybliżamy się do ludzkiej formy androida – zauważa Gary Gilbert, szef inżynierii wiedzy Centrum Badań Zdalnej Medycyny i Technologii Armii Amerykańskiej. – Forma humanoidalna ma pewne cechy, które umożliwiają robotom wykonywanie wielu czynności, jakie chcemy, aby wykonywały.
Wypełnienie niszy rynkowej
Po ponad 3 latach jego konstruowania, robot Bear naprawdę przyjął formę humanoidalną i cały czas staje się coraz bardziej ludzki. Inżynierowie wojskowi mówią, że potrzebują tych ludzkich cech, ponieważ zadania, jakie będzie wykonywał na polu walki, wymagają zręczności i siły. Początkowo zadania te będą obejmować ratowanie ofiar z pola walki i unieszkodliwianie bomb – operacje, które lepiej wykonywać za pomocą robotów, niż żywych żołnierzy.
– Musi on dotrzeć na miejsce, wykonać swoją misję, bezpiecznie wrócić i ochraniać ofiary przed zagrożeniami otoczenia – mówi Gilbert.
Chociaż robot Bear do poruszania się używa kół, jego obecny prototyp wykorzystuje ruchome nogi na bazie gąsienic, które umożliwią mu wykonywanie bardziej zaawansowanych zadań. Obejmują one przymocowywanie się do pojazdu naziemnego, wyjeżdżanie na pole walki, wysiadanie z pojazdu, znajdowanie ofiary i umieszczanie jej na noszach w celu ewakuacji. Daniel Theobald, prezes firmy Vecna Technologies Inc. mówi, że wynalazł robota Bear, ponieważ zobaczył lukę na rynku robotów mobilnych. Według niego rynek składał się z dwóch klas robotów: małych rzeczywistych robotów, które mogły pędzić pod samochodem w trakcie poszukiwania bomb; oraz dużych zdalnie sterowanych pojazdów, obejmujących czołgi i samoloty bezzałogowe.
– Ujrzeliśmy między tymi klasami próżnię – mówi Theobald. – Było zapotrzebowanie na robota, który mógłby wejść w ciasne przestrzenie – w budynkach i na schodach, gdzie nie mogą się dostać pojazdy. Ale jednocześnie była potrzeba, aby robot był wystarczająco silny, żeby mógł oddziaływać na otoczenie.
Theobald przewidział, że jego nowy robot będzie zdolny podnosić setki kilogramów, przewyższając w ten sposób moc małych mobilnych robotów, które zazwyczaj nie mogą podnieść więcej, niż około 3–5 kg. Wyposażając robota w taką siłę, Theobald wierzył, że może on wypełnić ważną niszę – podnoszenie rannych żołnierzy, podnoszenie małych pojazdów, ratowanie cywilów podczas nuklearnych lub biologicznych ataków i sprawdzanie, czy pod ciałami martwych zwierząt znajdują się bomby. Przewidywał nawet, że będzie używany w szpitalach, gdzie mógłby przenosić pacjentów, czy pomagać ludziom po amputacjach lub osobom starszym.
– Musisz być silny, abyś mógł oddziaływać na otoczenie w odpowiedni sposób – mówi Theobald. – Musisz być w stanie przenosić ludzi, odgruzowywać, a nawet podnieść samochód, by udzielić pomocy osobie, która została w nim uwięziona.
Jednak wykonanie takiego robota było niemałym wyczynem inżynierii. Aby wykonać to zadanie, Theobald uznał, że do napędzania swojej górnej części korpusu robot musi używać hydrauliki. Zastosował cylindry hydrauliczne o ciśnieniu 1500 psi firmy Quincy Ortman Cylinder, zasilane zaworami firmy HydraForce Inc. Zespół inżynieryjny Vecna zaprojektował na zamówienie niezależny od położenia zbiornik hydrauliczny dla systemu, głównie po to, aby płyn hydrauliczny nie wylał się z robota, kiedy ten się pochyli lub znajdzie w nietypowej pozycji. System hydrauliczny umożliwia ramionom i tułowiu robota Bear podnoszenie około 180 kg.
– Stosując hydraulikę idziemy niewątpliwie na kompromis – mówi Theobald, którego praca magisterska w MIT obejmowała opracowywanie algorytmów sterowania opartych na sieci Web dla robota badającego Marsa. – Systemy hydrauliczne są dość ciężkie i płacimy za to swoją cenę. Zaletą natomiast jest to, że w jednym momencie całą moc można skupić w jednym stawie. Jeśli natomiast umieścilibyśmy silniki elektryczne w różnych miejscach robota, otrzymalibyśmy tylko to, co jest dostępne z każdego pojedynczego silnika. Aby uzyskać taką samą moc, potrzebowalibyśmy naprawdę ogromnych silników elektrycznych.
Uczenie równowagi
Bear podnosi masywne ciężary, i w związku z tym czeka go inne wyzwanie – równowaga. Chcąc zapobiec przewraceniu się robota podczas podnoszenia rannego żołnierza, przechodzenia po kłodzie drewna lub schodzeniu ze wzgórza, inżynierowie zastosowali… dynamiczne równoważenie.
– Kiedy przeskalujesz odcisk stopy robota, chcąc, by był on dostatecznie masywny, trafisz na problem równowagi – mówi Theobald.
Dynamiczne równoważenie rozwiązuje tę kwestię, utrzymując środek ciężkości robota nad jego nogami (lub kołami, zależnie od przypadku). Podobnie jak człowiek, robot Bear musiał nauczyć się balansować swoim ciężarem podczas stania. Jeżeli pochylił się do przodu, musiał nauczyć się odchylać do tyłu, aby umieścić swój środek ciężkości nad stopami. Jeżeli natomiast odchylił się do tyłu, musiał pochylić się do przodu.
Aby to osiągnąć, Theobald i kierownik ds. produkcji robotyki Jamie Nichol zastosowali czujniki, które umożliwiają robotowi Bear kontrolowanie swoich kończyn, tułowia i nóg. Bezwładnościowe urządzenie pomiarowe tułowia wykrywa położenie robota, podczas gdy urządzenie kodujące złącza optycznego z firmy U.S. Digital śledzi przesunięcie kątowe trasy części korpusu. Sygnały z urządzenia kodującego są wysyłane do mikrokontrolerów 21PIC z Microchip Technology Inc., które mieszczą się w stawach robota. Mikrokontrolery stawów są podzielone na 5 podsieci: lewa ręka; prawa ręka; lewa noga; prawa noga; tułów.
– Chcieliśmy każdemu stawowi dać własną niezależność – zauważa Jamie Nichol, którego praca doktorska na Uniwersytecie Stanford dotyczyła mechatroniki i kinematyki. – W ten sposób ograniczyliśmy przepływ danych w wewnętrznej sieci robota. Inżynierowie Vecna mówią, że ograniczenie przepływu w sieci było decydujące, ponieważ robot wykorzystuje centralny komputer, który musi przeprowadzać zaawansowane prace pomocnicze. Centralny komputer użytkowy oparty na systemie Linux z płytą główną EPIA-M z firmy Via Technologies wykonuje bardziej zasadnicze obliczenia, łącznie z obsługą własnych algorytmów równoważenia i zaawansowanych programów koordynacji. W oparciu o decyzje podjęte przez te programy, procesor wysyła sygnały do mikrokontrolerów na węzłach, które „rozmawiają” z silnikami, zaworami i innymi siłownikami napędzającymi robota.
Nogom lub kołom robota Bear kierunek nadają również mikrokontrolery, znajdujące się w kolanach i biodrach. Podczas gdy pierwsze wersje robota Bear wykorzystywały do przemieszczania się koła, obecne prototypy stosują cztery napędzane silnikami gąsienice. Gąsienice – znajdujące się nad i pod kolanami na każdej nodze – są napędzane przez silniki szczotkowe z magnesami trwałymi o mocy 2 KM firmy MagMotorCorp. Napęd odbywa się poprzez redukcyjną przekładnię planetarną. Zasadniczo gąsienice tworzą nogi robota, umożliwiając mu stanie w pozycji wyprostowanej oraz chodzenie, wchodzenie po schodach lub przechodzenie przez przeszkodę (patrz symulacja wideo na stronie
http://www.tatrc.org/website_robotics/bear.html).
– Zaprojektowaliśmy dwie niezależne nogi z gąsienicami, tak więc robot może wpełznąć na schody, utrzymując kontakt z górną częścią każdego stopnia – mówi Theobald. W ten sposób masywny robot wchodząc lub schodząc po schodach nie uszkodzi fragmentu stopni. – Oczywiście, jeżeli niesiesz człowieka, nie chcesz podejmować ryzyka, które nie jest konieczne – dodaje Theobald.
Nowe wyzwanie: autonomia
Są powody, dla których inżynierowie armii amerykańskiej wyrażają swoje zadowolenie z humanoidalnej konfiguracji robota Bear.
– Wielu ludzi mówiło „Nie potrzebujesz tego” – twierdzi Gilbert z armii amerykańskiej. – Przekonywali: użyj tylko 4 kół lub podnośnika widłowego. Okazuje się jednak, że takie kształty, w takiej konfiguracji, nie mogą pokonać schodów; nie mogą skręcić wystarczająco ostro i nie są przy tym dość delikatne.
Gilbert dodaje, że armia ma również nadzieję, iż zafunduje przyszłym robotom typu Bear niezależną inteligencję. Dzisiaj, jak mówi, Bear jest nadal obsługiwany za pomocą zdalnego sterowania. W końcu inżynierowie armii mają nadzieję na wykorzystanie lasera, radaru i czujników typu sonar, aby umożliwić przyszłym robotom wyczuwanie, rozumienie i samodzielne radzenie sobie ze środowiskiem, w którym się znalazły.
– Roboty nadal znajdują się w stadium początkowym, a autonomia jest wciąż największym wyzwaniem w robotyce – mówi Gilbert. Na razie inżynierowie robota Bear odnieśli sukces, osiągając dwa pierwsze cele programu: dowód wykonalności pomysłu i umiejętność wchodzenia po schodach. Może on teraz stać na ruchomych nogach z gąsienicami i biegać. Jednak lista celów do osiągnięcia w niedalekiej przyszłości jest wciąż długa: reakcja na nieoczekiwane przeszkody, zbieganie bokiem ze wzgórza, wyczuwanie otoczenia.
– Ostatecznym celem tego programu jest całkowita autonomia, a jedyną drogą do jego osiągnięcia jest… zabranie się do pracy, co właśnie zrobiliśmy – mówi Gilbert.
Autor: CHARLES J. MURRAY
