SN grudzien 066

rzeglad / Zwinne ballboty

I Aby na co dzień współdziałać z ludźmi, inteligentne roboty muszą utrzymać postawę pionową oraz pewnie i zwinnie się poruszać.

I Obecnie większość eksperymentalnych robotów mobilnych porusza się na szerokich kołowych platformach jezdnych, które w ciasnych pomieszczeniach bardzo ograniczają ich ruchy.

I Ballbot to wysoki, smukły robot - przemieszcza się dzięki ruchomej kuli we wszystkich kierunkach; jest zwinny i ma stosunkowo prostą konstrukcję. Być może kiedyś takie właśnie roboty będą nas wyręczały w pracach domowych.

sali wykładowej i w przewidzianym na to czasie wygłosiła krótki odczyt o sobie samej. Inne roboty z kolei świetnie spisywały się jako interaktywni przewodnicy po muzeach albo pomoce domowe. Informatycy wraz z inżynierami wyposażyli je w chwytaki pozwalające manipulować różnymi przedmiotami oraz w trzy- lub czterokołowe platformy jezdne, dzięki którym mogą się przemieszczać. Tego typu platformy noszą nazwę stabilnych statycznie, gdyż utrzymują pionową pozycję robota, naw et kiedy jest on wyłączony.

Roboty wystarczająco wysokie, by ludziom wygodnie było się z nimi komunikować, mają zwykle wyżej położony środek ciężkości. By utrzymać się w pionie, maszyna nie może gwałtownie przyśpieszać ani hamować, powinna też unikać stromych podjazdów. Pewniejszą postawę stabilne statycznie roboty zawdzięczają zazwyczaj bardzo masywnym i szerokim platformom kołowym. Taka konstrukcja ogranicza niestety ich ruchliwość - utrudnia przejazd przez drzwi, wymijanie ludzi, nie mówiąc już

0    lawirowaniu między meblami.

Kilka lat temu postanowiłem zbudować robota innego niż wszystkie, który byłby wysoki, smukły, zwrotny i zachowywał pozycję pionową dzięki jednemu sferycznemu mechanizmowi jezdnemu. Taka maszyna, mimo wysoko położonego środka ciężkości, powinna być zdolna do szybkiego przemieszczania się w dowolnym kierunku. Utrzymanie pionu wymagałoby ciągłego balansowania robotem, czyli dynamicznej stabilizacji, a komputer nieustannie kontrolowałby

1    popraw iał jego pozycję. Zdałem sobie sprawę, że projektując takie urządzenie, zajmuję się nową, do tej pory niebada-ną klasą kołowych robotów mobilnych! Z braku pomysłu nazw ałem go ballbo-tem (bali to po angielsku kula).

Wraz z moimi studentami od ponad roku badamy już stabilność i możliwości wykorzystania ballbota w środowisku człowieka. W tym okresie wielu gości naszego laboratorium przyznało, że nasze próby są bardzo interesujące.

Sztuka balansowania

ludzie utrzymują równowagę dzięki błędnikowi w' uchu wewnętrznym. Bodźce z błędnika oraz narządów zmysłów, na przykład oczu, umożliwiają nam m.in. kontrolę napięcia mięśni w nogach, dzięki czemu potrafimy prosto stać. Mechanizm zachowania równowagi w⁷ ball-bocie działa podobnie. Po pierwsze, maszyna musi mieć zdefiniowane zadanie: stać w miejscu albo też przemieścić się

Nasze próby zastosowania w robocie kuli jezdnej wielu uznało za obiecujące.

po Unii prostej. Po drugie, zawsze powinna znać kierunek siły grawitacji i mierzyć swoje ustawienie względem pionu. Po trzecie, jej kuła jezdna powinna obracać się we wszystkie strony i mierzyć przebytą drogę. I po czwarte, by ballbot umiał dotrzeć do celu, musi kontrolować i przetwarzać informacje pochodzące z rozmaitych czujników.

Problem utrzymania pionu od dawna był wielkim wyzwaniem w technice [ramka na stronie 58]. W naszym rozwiązaniu skorzystaliśmy z najnowszych osiągnięć techniki komputerowej, światłowodowej i systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), pozwalających wyeliminować tradycyjne żyroskopy mechaniczne.

W robocie zainstalowaliśmy trzy prostopadłe do siebie optyczne żyroskopy zamknięte w sztywno przymocowanej do robota kasecie [ramka na sąsiedniej stronie]. Żyroskopy te nie mają mechanicznych elementów obrotowych, lecz źródła światła, detektory oraz zwoje światłowodów'. Fale świetlne poruszają się w zwojach światłowodowych w przeciw nych kierunkach i interferu-ją w detektorze. Trzy' żyroskopy, w które wyposażony jest ballbot, obracają się razem z nim, natomiast promienie światła przemieszczają się niezależnie od jego ruchu. Czujniki te mierzą niewielkie różnice drogi przebytej przez światło w' kierunku zgodnym i przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Za każdym razem różnice dróg powodują pojawienie się prążków interferencyjnych, proporcjonalnych do prędkości kątowej czujnika - efekt ten po raz pierwszy zaobserwował Georges Sagnac już w 1913 roku. Zbudowany z małego komputera system sterujący na podstawie informacji z czujników wy biera odpowiednie sterowanie ball-botem: określa, w jaki sposób robot powinien się poruszać (do przodu czy' do tyłu), jaki powinien być stopień przechyłu robota (na boki), oraz koryguje utrzymanie zadanej trajektorii (poprzez rotację pionową).

Aby utrzymać pion, wszystkie żyroskopy muszą również uwzględniać ruch obrotowy Ziemi oraz wptyw wielu innych czynników', mogących powodować znoszenie i chybotanie robota. W tym celu zastosowaliśmy dodatkowo trzy czujniki przyśpieszenia, które zamontowaliśmy prostopadle do siebie na ścianach kasety z żyroskopami. Gdy ballbot się porusza, czujniki te informują o przyśpieszeniach chwilowych dla wszystkich kierunków. Poprzez uśrednienie w czasie informacji o kierunkach i przyśpieszeniu komputer poprawił kontrolę nad robotem (odczyt z czujników przyśpieszenia nie mógł być wykorzystany bezpośrednio do określenia sterowania). W rezultacie otrzymaliśmy system, który - mamy nadzieję - w przyszłości będzie używany do stabilizacji położenia środka ciężkości robota.

Jazda na kuli

jest kilka sposobów napędzania kuli w różnych kierunkach. My postawiliśmy na prostotę. Kiedy poruszamy me-

56 ŚWIAT NAUKI GRUDZIEŃ 2006