Genialne urządzenia

Budowanie ich jest jak hobby. Pochłania i fascynuje dorosłych podobnie, jak małych chłopców zachwycają samochody. Daje możliwość realizacji zapędów konstruktorskich i połączenia teorii z praktyką. - A roboty - przyznaje mgr RAFAŁ CHOJECKI z Instytutu Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej (IAiR) - są, jak trochę droższe zabawki.
   Razem ze studentami zaprojektował ostatnio kolejnego - poruszającą się na gąsienicach platformę inspekcyjną o dużej mobilności. Zupełnie nowym elementem jest ruchomy przód, który pozwala wspinać się, zjeżdżać i obracać o 90o. Ze względu na dużą masę, robot został wyposażony w silne napędy. To jednak dopiero początek projektu. Jedną z możliwości jego rozwinięcia jest dodanie manipulatora pozwalającego na podnoszenie i przenoszenie różnych przedmiotów. Pojazd posiada sterowanie mikroprocesorowe umożliwiające kierowanie nim zarówno za pomocą specjalnie zaprojektowanego ręcznego pulpitu, jak i zewnętrznego komputera. Układ sterowania dobiera się w zależności od przeznaczenia urządzenia.
   Dzięki temu, że Instytut Automatyki i Robotyki dysponuje własnym warsztatem oraz laboratorium, wyprodukowanie i przetestowanie różnych elementów jest o wiele tańsze niż kupowanie gotowych.

Pojazd na "smyczy"

   Tym razem konstruktorzy skupili się na detalach mechanicznych. Mają już opracowany układ sterowania kablowego do pojazdów inspekcyjnych. Robot jest podłączony do komputera lub do specjalnego panelu, nad którym czuwa operator.
   - Zawsze zostawiamy sobie furtkę - mówi mgr Chojecki. - Kabel można w pewnym momencie odłączyć, zamontować akumulator i zastosować sterowanie radiowe, co zwiększa koszty projektu, ale uwalnia robota od uciążliwej "smyczy".
   Zaletą połączenia kablowego w warunkach laboratoryjnych jest możliwość przeprowadzania długotrwałych testów - bez obawy, że akumulatory rozładują się w najmniej oczekiwanym momencie. Praca nad nowym modelem robota ukierunkowana jest na to, żeby był w pewnym stopniu autonomiczny - mógł samodzielnie operować w środowisku. Dlatego następne etapy pracy będą polegać na wzbogaceniu układu sensorycznego oraz opracowaniu inteligentnego oprogramowania nawigacyjnego.
   Głównym zadaniem pojazdów inspekcyjnych jest poruszanie się w trudno dostępnym terenie, gdzie nie może lub nie powinien przebywać człowiek. Czasem są to miejsca, w których, ze względu na zakłócenia sygnału, zawodzi łączność radiowa (np. w metalowej rurze). Z tego względu nie rezygnuje się z możliwości połączenia kablowego. Dzięki "smyczy", nawet w takich warunkach operator jest nadal w stanie obserwować interesujący go obszar oraz podejmować decyzje dotyczące dalszego działania.
   Większość małych robotów ma prostą konstrukcję i mało zaawansowaną sensorykę, żeby mogły sobie radzić same w nieznanym środowisku. Budowany teraz model został wyposażony w system sensoryczny składający się z dalmierzy optycznych oraz systemu wizyjnego. Ponieważ jest typowym pojazdem inspekcyjnym, kamerę wyposażono w oświetlacze umożliwiające jazdę po ciemku. Dzięki budowie modułowej, w przyszłości będzie możliwe dodawanie kolejnych modułów sensorycznych. Planowana jest instalacja elektronicznego kompasu oraz dwuosiowego inklinomeru - pozwalającego na określenia przechyłów platformy. Przewidziano też zamontowanie nad robotem modułu obrotowej głowicy wyposażonej w dodatkowe sensory odległości oraz drugą kamerę. Ze względu na małe rozmiary nie można go jednak wyposażyć w zbyt dużą liczbę części sensorycznych pozwalających na samodzielne wykonywanie złożonych zadań nawigacyjnych.
   - W projektowaniu robotów mobilnych przyjęliśmy taktykę budowy modułowej - podkreśla mgr Chojecki. - Wydaje się, że nasze są roboty są zamkniętymi konstrukcjami, ale w każdej chwili można je zmodyfikować dołączając jakiś element, na przykład wysokiej rozdzielczości kamerę obrotową połączoną z punktowym dalmierzem laserowym.
   Większość robotów opracowanych w IAiR posiada w taki właśnie sposób zaprojektowane układy sensoryczne. Można je przekładać z jednej platformy na drugą. Dzięki tej taktyce koszty badań są niższe, a sensor, który w danej chwili nie jest używany, zamiast stać na półce, może być wykorzystany w innym urządzeniu. Taki podzespół, czyli wysokiej rozdzielczości kamerę obrotową z punktowym dalmierzem laserowym, można bardzo łatwo zainstalować na modelu konstruowanym przez studentów. Zajmuje to tylko chwilę. Wystarczy odkręcić cztery śruby. Wymienna pokrywa ze specjalnymi otworami jest przystosowana do zakładania tego typu sensora. Dzięki temu robot zyskuje drugi system wizyjny oraz informację o odległości od przeszkód. Jest to istotne podczas śledzenia obiektów oraz poruszania się - na przykład - pojazdów w kolumnie.
   W przypadku projektowanego pojazdu inspekcyjnego, przystosowanego do wykonywania samodzielnych zadań w niebezpiecznych lub trudnodostępnych miejscach, ważne jest, by sam pojazd był jak najtańszy i najmniejszy. W przypadku awarii lub uszkodzenia, strata jednostki jest dużo mniejsza. Z tego względu zdecydowano się nie instalować na ich pokładzie drogich i wymagających dodatkowego źródła zasilania komputerów.
   - Chodzi o to, aby nie został zniszczony cały system - tłumaczy mgr Chojecki. - Dlatego chcemy, żeby element wykonawczy, czyli robot, był stosunkowo niedrogi i miał prostą konstrukcję. Na razie są to prace koncepcyjne, ale projektujemy z założeniem, że po małych modyfikacjach będzie się nadawał do produkcji seryjnej.
   Dane z sensorów umieszczonych na platformie są przekazywane kablowo lub bezprzewodowo do zewnętrznego układu sterowania (komputera) wyposażonego w wydajną jednostkę obliczeniową przetwarzającą otrzymane informacje. Na tej podstawie do robota są przekazywane rozkazy związane z kolejnymi działaniami.
   Inne podejście stosuje się w przypadku większych robotów przeznaczonych do bardziej złożonych zadań, w których komputer instalowany jest na pokładzie. Do samodzielnego działania nie potrzebują zewnętrznej jednostki sterującej, ale dzięki łączności radiowej mogą z nią współpracować. Wykorzystuje się do tego sieć bezprzewodową. Dzięki zainstalowanym akumulatorom, rozbudowanym systemom sensorycznym, sterowaniu oraz inteligentnemu oprogramowaniu, roboty mogą być w pełni autonomiczne.
   W swoim środowisku maszyny napotkają różnego typu przeszkody. Muszą być na to odpowiednio przygotowane i potrafić przez nie przejechać lub je ominąć. Jeżeli zadaniem robota jest tylko przemieszczanie się, w większości przypadków nie musi rozpoznawać obiektów. Nie ma znaczenia, czy to będzie człowiek, stół, krzesło, czy też piłka. Ważne, żeby potrafił objechać przeszkodę i dotrzeć do celu. Rozpoznawanie staje się ważnym elementem, gdy funkcją robota jest przemieszczanie się połączone z odnalezieniem określonego przedmiotu. Wówczas trzeba go uwrażliwić na te cechy środowiska (obiektu), które umożliwią mu wykonanie tego zadania. Aby je rozpoznać, musi jednak mieć odpowiedni układ sensoryczny.

Doskonała czwórka

   W ramach innego projektu, realizowanego wspólnie z Instytutem Automatyki i Informatyki mieszczącym się na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych, powstają cztery roboty do zadań grupowych. Stworzono dla nich system nawigacyjny, dzięki któremu mogą funkcjonować i razem, i samodzielnie. Ich platformy są w pełni autonomiczne: posiadają własny układ zasilania oraz komputer pokładowy, który może działać osobno albo w sieci, w połączeniu z innymi. Pojazdy są wyposażone w bezprzewodowe karty sieciowe. Mogą komunikować się ze sobą, a także ze stacjonarnym komputerem nadrzędnym, który nimi zarządza. Dwa modele mają zamontowane skanery laserowe. Jest to urządzenie działające podobnie jak radar optyczny. Pozwala zobaczyć przekrój pomieszczenia. Jego możliwości zostały dodatkowo wzbogacone. Laserem można obracać i dzięki temu rejestrować przestrzeń trójwymiarowo. Razem ze studentami prowadzone są prace, które mają doprowadzić do tego, żeby robot potrafił się zatrzymać, zeskanować pomieszczenie i stworzyć trójwymiarowy model tego, co widzi. Jest to dopiero początek projektu. Na razie weryfikacji została poddana sama idea, a zespół zajmuje się rozwiązywaniem problemów natury technicznej: budową skanera o jak najlepszej dokładności, doskonaleniem komunikacji pomiędzy robotami oraz opracowaniem najdoskonalszych sposobów kompresji danych.
   Trójwymiarowy system pozwoli na szczegółową obserwację przestrzeni i wyłapanie wszelkich zmian w jej ukształtowaniu. Jeżeli robot się przemieszcza i cały czas skanuje - zarejestrowane przez niego fragmenty będzie można połączyć i stworzyć trójwymiarowy model, na przykład całego budynku. Na taki obraz składa się jednak wiele punktów. Trwają prace nad zmniejszeniem ilości danych poprzez zamianę punktów na płaszczyznę. Zamiast milionów punktów, pojawią się równania płaszczyzn. Dzięki temu sposób zapisu oglądanego obiektu zostanie uproszczony, ale nadal będzie dostarczał informacji w formie geometrycznej.

"Wielki brat" patrzy

   Zespół zajmujący się tematyką nawigacji robotów mobilnych pod kierownictwem prof. Mariusza Olszewskiego, do którego należą: dr Barbara Siemiątkowska oraz mgr Rafał Chojecki - jako jedyny w Polsce prowadzi badania nad systemem nawigacji za pomocą obrotowej kamery o kącie widzenia 360o (pisaliśmy o tym w numerze MPW 5/2004). Sensory dookolne są wykorzystywane w wielu pracach badawczych na całym świecie. Dzięki zastosowaniu takiego elementu otrzymujemy obraz panoramiczny. Efekt jest taki, jakbyśmy patrzyli w bombkę choinkową zawieszoną pod sufitem. Ponieważ jest to urządzenie pasywne, nie emitujące żadnej energii, może być stosowane w kilku urządzeniach pracujących razem. Kamery dookolne wykorzystują światło odbite i nie powodują zakłóceń. Pojazd, który oprócz takiej kamery posiada np. skaner laserowy, może prowadzić całą grupę. Dobrze określa własne położenie, wyznacza optymalną ścieżkę, a przy okazji jest w stanie obserwować podążające za nim pojazdy i korygować ich pozycje dzięki sieci komunikacyjnej.
   Potencjał tego sensora nie został jeszcze wyczerpany. Można go modyfikować przez zmianę kształtów zwierciadeł, które instaluje się w mocnym, szklanym cylindrze z hermetycznym zamknięciem chroniącym przed zabrudzeniami. Na razie trwają badania i możliwe, że niedługo dla takich systemów znajdzie się zastosowanie komercyjne, np. przy monitorowaniu budynków. Sensor może rejestrować osoby, które wchodzą oraz wychodzą. Nie jest to kamera o ograniczonym polu widzenia. Trochę taki "wielki brat". Jednak robotów nie trzeba się obawiać. Nadal groźniejszy od nich jest człowiek. Jak na razie wciąż głównym zadaniem robota - bez względu na to, czy jest maszyną inspekcyjną, przemysłowym manipulatorem używanym np. w fabrykach samochodów, czy też urządzeniem humanoidalnym - jest wyręczanie nas w niebezpiecznych lub monotonnych czynnościach, których nie chcemy wykonywać.
   - Nie wiem, czy dążenie do tego, żeby był inteligentny i świadomy, ma sens - mówi mgr Chojecki. Robot ma wykonywać nasze polecenia i robić to, do czego został stworzony i zaprogramowany, a jego zachowaniem ma rządzić człowiek. I tak to zostało ułożone.
JOANNA MAJEWSKA
Fot. z arch. Rafała Chojeckiego

Powrót do strony głównej