Roboty kroczące – cuda współczesnej inżynierii

Roboty kroczące od dawna są popularnym elementem science fiction. Można je spotkać zarówno w książkach, jak i w filmach – słynny niegdyś I, Robot pełen był biegających humanoidów, natomiast Chappie z 2016 doskonale oddawał realizm poruszania się robota wzorowanego na chodzie ludzkim.

Zadanie wydaje się być stosunkowo proste przy dzisiejszym poziomie technologii. Okazuje się jednak, że chodzenie to w rzeczywistości bardzo skomplikowany proces, który trudno jest przenieść na maszynę. Można odtworzyć z dużą dokładnością ruchy człowieka podczas chodzenia po określonym terenie – jednak sprawienie, żeby robot sam potrafił odpowiednio reagować na zmienne warunki, to już nie lada wyzwanie.

 

Do czego potrzebne są roboty kroczące?

Roboty kroczące znakomicie sprawdzają się w miejscach, w których nie ma możliwości poruszania się w inny sposób. Leśna ścieżka, prowadząca pod górę między korzeniami i po mchu, to teren na którym trudno jest przewidzieć, jaki rodzaj pojazdu należałoby zastosować. Znakomicie natomiast sprawdzają się tam na przykład ludzie lub psy na nogach. Robotyka inspiruje się zasadami działania żywych istot, korzystając z tego co natura zdążyła sobie wypracować przez tysiące lat.

 

Roboty humanoidalne

Roboty kroczące mogą również stanowić konieczność w momencie, kiedy chcemy stosunkowo wiernie odwzorować wygląd ludzki. Dobre przyjęcie robota społecznego przez człowieka często jest uwarunkowane zachowaniem pewnych podobieństw do ludzi. Aby robot społeczny mógł wzbudzić zaufanie, nie powinien starać się idealnie imitować wyglądu ludzkiego, ale nie może się też zbyt znacząco różnić. Urządzenie z czterema nogami i dużą liczbą kończyn mogłoby odstraszać użytkowników. Robot z wyglądu przypominający człowieka, ale dający się od niego łatwo odróżnić, to klucz do sukcesu.

Roboty kroczące mogą wykonywać bardzo wiele zadań, jeśli zostaną odpowiednio rozwinięte – najpopularniejsze wykorzystanie w science fiction to osobisty robot-pomocnik domowy, który będzie poruszał się tak samo jak ludzie i będzie w stanie robić wszystko to, co oni.

 

Jakie problemy stawiają przed człowiekiem roboty kroczące?

Najtrudniejsze jest uzyskanie odpowiednich algorytmów umożliwiających stabilny i płynny chód, podczas którego robot będzie w stanie utrzymywać równowagę oraz reagować na zmiany otoczenia (takie jak potrącenie przez przechodnia, nierówności terenu czy zmiana faktury podłoża). W zależności od przyjętego założenia, pojawiają się kolejne problemy – na przykład robot na dwóch nogach musi w inny sposób utrzymywać równowagę, niż robot-mrówka na sześciu kończynach. Zasady, według których poruszają one nogami, są całkowicie różne. Naukowcy na całym świecie prowadzą badania nad wieloma typami robotów kroczących, stale przybliżając nas do osiągania coraz bardziej imponujących wyników.

 

Różne typy robotów kroczących

Robo-pająk

Robot, którego sześć kończyn schodzi się do centrum, w którym znajduje się logiczny układ sterujący: zobacz film.

Robo-mrówka

Koncepcja bardzo podobna do robota-pająka, jednak w tym przypadku kończyny schodzą się równolegle do podłużnego rdzenia.

Robot RHex

Zupełnie inne podejście do sposobu chodzenia oraz rodzaju wykorzystania kończyn. Robot RHex posiada sześć „odnóży”, które potrafią sprawić, że chodzi, skacze, a nawet wiesza się na krawędziach. Kiedy jest obrócony o 180°, może zupełnie normalnie ruszyć w dalszą trasę! Projekt powstał z założeniem zespolenia techniki matematycznej teorii systemów dynamicznych z zainspirowaniem się sposobami poruszania podpatrzonymi u zwierząt: zobacz film.

Naukowy podział rodzajów stabilności robotów kroczących

Rodzaj stabilności zależny jest od ilości odnóży. Można rozróżnić roboty kroczące w kategoriach:

• stabilny statycznie – zatrzymany w dowolnym momencie nie straci równowagi (na przykład robot RHex – ma zawsze trzy podpory)
• dynamicznie stabilny – zatrzymanie robota w pewnych momentach poskutkuje jego wywróceniem
• quazi-dynamicznie stabilny – stabilne statycznie fazy ruchu są przedzielane fazami dynamicznie stabilnymi. Oznacza to, że na przykład dwunożny robot kroczący z dużymi stopami nie przewróci się podczas zatrzymania w fazie, podczas której jest podparty w dwóch miejscach. Natomiast podczas zatrzymania w trakcie trwania fazy jednopodporowej – straci równowagę i upadnie.

W podobny sposób opisywane są rodzaje chodu – na przykład:

• ruch falowy – ściśle określona na diagramach chodu sekwencja przestawiania nóg, która jest zapętlona. Są proste w realizacji, ale sprawdzają się tylko na prostych i płaskich powierzchniach,
• freestyle – charakteryzuje się głównie zasadą, w której decyzja o sposobie i momencie przestawiania nóg jest podejmowana na bieżąco.

 

Robot-pies od Boston Dynamics

Boston Dynamics to firma, która od dawna zajmuje się robotami kroczącymi. W 2013 roku została wykupiona przez Google, jednak w 2017 przejęło ją inne, japońskie przedsiębiorstwo. W początkowej fazie jedynym celem, dla którego powstawał robot-pies, było wykorzystanie w armii USA jako mobilnego robota transportującego sprzęt. Firma pracowała nad nim od 2003 do 2005 roku – radził sobie stosunkowo dobrze w terenie, jednak dla wojska okazał się zbyt głośny. Dzisiaj przybrał nową formę i zrobił potężny krok w rozwoju. Teraz robot jest znacznie lżejszy i bardziej zwinny. Jego możliwości można obejrzeć między innymi na tym filmie z 2018 roku.

Atlas – prawie jak człowiek

Robot, który robi największe wrażenie na widzach, to humanoidalny Atlas. On również rozwijał się przez długie lata – jego prototyp powstał już w 2013 roku. Atlas jest zbudowany z aluminium i tytanu, ma dwa systemy wizyjne – dalmierz laserowy i kamery stereofoniczne, a kończyny posiadają w sumie 28 stopni swobody. Robot może samodzielnie chodzić i wspinać się, korzystając ze swoich rąk i nóg. Jeszcze w 2013 musiał być podłączony do stałego źródła zasilania, jednak teraz potrafi znacznie więcej. Doskonale radzi sobie z równowagą, umie chodzić po nierównym terenie, wstać po przywróceniu się, skakać, robić salta i biegać po schodach – niejeden człowiek nie jest w stanie wykonać takich akrobacji! Zobacz film.

Roboty kroczące do niedawna wydawały się elementem fantastyki naukowej lub naprawdę odległej przyszłości. Dzięki pracy i pasji inżynierów robotyki, już dziś realizowane są jednak wizjonerskie projekty związane z powstawaniem tych niezwykłych maszyn.