Jak sprawić by roboty poruszały się równie swobodnie jak ludzie
W nadchodzących latach humanoidalne roboty staną się znacznie bardziej powszechne. Wiele z nich jednak porusza się w typowy dla robotów, sztywny sposób, w porównaniu z ludźmi, których mają naśladować. Ludzie i zwierzęta poruszają się niezwykle płynnie, wykorzystując naturalne wzorce oscylacji. Te oszczędne pod względem energetycznym ruchy, znane jako „dynamika wewnętrzna”, obejmują naturalny kłus, w który przechodzą czworonożne zwierzęta, gdy biegną, oraz sposób, w jaki sztywnieją mięśnie, gdy stworzenie porusza się po twardych powierzchniach. W ramach projektu M-Runners finansowanego ze środków UE badacze z Niemieckiego Ośrodka Badań Lotniczych i Kosmicznych (DLR) i Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM) opracowali narzędzie, które przekłada dynamikę wewnętrzną na układy robotyczne. Badania te nie tylko sprawią, że roboty będą poruszać się sprawniej na Ziemi, ale pomogą również opracować roboty, które poradzą sobie w trudnych sytuacjach poza naszą planetą. „Badania skupiały się na elastycznych robotach oraz sposobach ich zaprojektowania i uruchamiania przy minimalnym wysiłku związanym ze sterowaniem” — wyjaśnia Alin Albu-Schäffer, który kieruje obiema grupami badawczym na DLR i TUM. „W przyszłości może to pomóc w opracowaniu robotów, które będą bardzo wydajne energetycznie, co ma fundamentalne znaczenie dla odkrywania nowych planet, na których możliwości zasilania są ograniczone” — dodaje.
Rozpoznawanie oscylacji w lokomocji
Nowe narzędzie analityczne potrafi rozpoznać, które ruchy są najbardziej oszczędne (i wydajne) w danym układzie. Zostało zaprojektowane z myślą o identyfikowaniu oscylacji wewnętrznych układów nieliniowych: ruchów, które mogą występować bez żadnego impulsu uruchamiającego w modelu wyidealizowanym. Narzędzie to można wykorzystać do rozpoznawania naturalnej dynamiki bardzo złożonych układów nieliniowych, w tym takich, jak czworonożny robot BERT, zaprojektowany przez Albu-Schäffera w DLR. W wyniku projektu zespoły zidentyfikowały sześć różnych wzorców ruchowych dla robota BERT, które wymagają tak niewielkiego wysiłku, że w świecie bez tarcia ich wykonanie nie wymagałoby żadnej energii. W rzeczywistym robocie trzeba skompensować jedynie straty energii związane z uderzeniami o podłoże i tarciem, ale koordynacja między kończynami nadal zachodzi bez wysiłku. Ruchy te przypominają sposoby poruszania się czworonogów, takie jak chodzenie, skakanie i kłus.
Rozpoznawanie i charakteryzowanie naturalnej dynamiki
Najważniejszym wynikiem projektu było lepsze zrozumienie sposobu rozpoznawania i charakteryzowania naturalnej dynamiki układów nieliniowych. Okazało się to przydatne przy projektowaniu energooszczędnych „sterowników“, które wspierają wewnętrzne ruchy w układach robotycznych. „I rzeczywiście, ta koncepcja sterowania wykorzystana w BERT ma za zadanie utrzymać zewnętrzne impulsy sterowania na minimalnym poziomie, a zamiast tego opierać się na mechanice samego systemu” — wyjaśnia Albu-Schäffer. „Trajektorie nie są «wymuszane» na systemie, ale wspierają naturalne ruchy, do których skłonny jest on na poziomie fizycznym” — dodaje.
Badania nad robotyką do zastosowań kosmicznych
Nieprzerwanie trwają badania nad robotyką do zastosowań kosmicznych, a jedna z wersji robota BERT została już wypróbowana w licznych misjach kosmicznych. „Robot w naszym instytucie był sterowany przez astronautów na pokładzie ISS, jako część projektu Surface Avatar” — podkreśla Albu-Schäffer. Jak doprecyzowuje: „misje te badały głównie aspekt zdalnego sterowania czworonożnym robotem na potrzeby eksploracji kosmosu, co jest równie ważne dla ewentualnego wykorzystania BERT w kosmosie, na przykład na Księżycu lub Marsie”. Zespół obecnie wykorzystuje metody opracowane w ramach projektu do projektowania nowego humanoidalnego robota, który ma biegać i poruszać się szybciej i bardziej wydajnie niż dzisiejsze roboty. Roboty te znajdą zastosowania w eksploracji kosmosu, ale także w codziennych zadaniach — w tym w domowych.
Słowa kluczowe
M-Runners, robot, humanoid, ruch, oscylacje, lokomocja, naturalna dynamika, robotyka, kosmos
