#RoboTemat: Polscy młodzi naukowcy zbudowali rękę ze sztucznymi kośćmi

W ramach naszego cyklu przedstawiamy kolejnego zdolnego konstruktora, który tworzy robota. Można by pomyśleć, że to nic takiego, ponieważ na naszym portalu już nieraz pojawiały się podobne informacje. Różnica jest taka, że robot ten posiada sztuczne kości i sztuczne mięśnie.

Historia robota Golem, to historia konsekwencji człowieka do stworzenia robota, którego konstrukcja ma być odwzorowaniem anatomii człowieka. Łukasz Koźlik – student Politechniki Wrocławskiej chciał stworzyć własnego robota, który będzie się wyróżniał wśród wielu takich robotów powstających na świecie i w Polsce.

Dlaczego Golem?

Idea, która przyświecała Łukaszowi była dość prosta, a nawet można by rzecz, że wręcz prozaiczna. Chodził o sprzątanie – czynność, której polski student wybitnie nie lubił. Chęć zbudowania maszyny, która zastąpiła człowieka w tej i w innych nie zbyt lubianych przez nas czynnościach doprowadziła do powstania ręki robota, która posiada własne kości i ścięgna.

Wykorzystanie sztucznych mięśni do poruszania kończynami robota nie jest nowym pomysłem. Pierwsze tego typu konstrukcje pojawiły się już w latach 50. ubiegłego wieku. Wówczas pojawiła się konstrukcja Josepha McKibbena nazwana pneumatycznym muskułem. Jego zasada działania jest zbliżona prawdziwych mięśni, ponieważ pod wpływem ciśnienia zwiększa on swoją objętość i średnicę. Zaletą tego typu konstrukcji jest waga oraz precyzja wynikająca z zastosowania gazu do poruszania mięśniem. Dzięki temu robotyczna ręka z muskułem pneumatycznym jest w stanie precyzyjniej chwytać przedmioty – także te delikatne.

Robot z drewna

Pierwsze próby Łukasza z konstrukcją własnego robota były oparte o prostą, drewnianą konstrukcję. Była ona zbudowana z listewek, linek i zawiasów. Chodziło oto, żeby sprawdzić jak to wszystko działa. Dzięki doświadczeniom okazało się, że zastosowanie linek do poruszania ręką jest nie wystarczające. Ręka albo w ogóle się nie zginała albo wykonywała bardzo gwałtowne ruchy. Łukasz doszedł do wniosku, że jeśli chce stworzyć robota, który będzie poruszał swoimi kończynami tak płynnie jak człowiek, to musi przyjrzeć się ludzkiej anatomii. Inspiracja ludzką anatomią jest w przypadku konstruowania robota humanoidalnego wręcz oczywista, ponieważ to natura jest najlepszym inżynierem.

Łukasz zwrócił się o pomoc do jednego z profesorów na Uniwersytecie Medycznym, który zaprosił go do prosektorium. Pojawił się tam kilka razy, żeby przestudiować anatomię człowieka ze wszystkimi szczegółami. W ten sposób Łukasz zdobył wiedzę na temat jak człowiek wykorzystuje do poruszania mięśnie, ścięgna, kości i tłuszcz.

Tworzywa sztuczne

Ręka tworzona przez Łukasza choć początkowo była drewniana, to ostatecznie miała być konstrukcją stalową. Aby zbudować odpowiednie jej części Łukasz udał się nawet na kurs obrabiania maszynami CNC, ale ostatecznie porzucił ten pomysł. Problemem były koszty więc Łukasz postanowił wykorzystać tworzywa sztuczne. Do projektu zaangażował swojego kolegę – Juliusza – także studenta Politechniki Wrocławskiej, który był w posiadaniu drukarki 3D. Urządzenie posłużyło im do wydrukowania kości z tworzywa z mechanicznymi połączeniami stawów. Problem z połączeniem sztucznych kości ze ścięgnami został rozwiązany dzięki wizytom we wspomnianym prosektorium. Jednakże wkrótce pojawiła się następna przeszkoda, a mianowicie miniaturowe elektrozawory. Służą one do zamiany sygnałów elektrycznych na hydrauliczne. Żeby mogły się zmieścić w ciele lub obudowie robota, to muszą być jak najmniejszych rozmiarów. Tak małych elektrozaworów nie ma na rynku więc nieustępliwy Łukasz postanowił skonstruować własne. Prace trwały dwa lata i ostatecznie przyniosły efekt. Łukasz zrezygnował z zastosowania do zaworów elektromagnesów na rzecz serwonapędów. Aby uzyskać pełną sprawność Golem będzie musiał posiadać aż 400 takich zaworów oraz dwie pompy oraz zbiornik na wodę.

CZYTAJ WIĘCEJ: #Zdarzylosiejutro: Jaka jest przyszłość sztucznej inteligencji? – Robotyka

„Największy problem mieliśmy z zaworami, które były po prostu zbyt duże. Udało nam się je zmniejszyć bodajże ośmiokrotnie. Mamy jeszcze pomysły jak to dalej zmniejszać, ale teraz to się już rozbija o to jakich silników użyć i jakich materiałów” – powiedział programista Golema, Juliusz Tarnowski w wywiadzie dla robotyka.pl.

Programowanie robota

Działanie Golema jest oparte o system Rapsberry Pi i skrypty Pythona. Do poruszania palcami wykorzystuje sekwensery ruchu, co pozwala na sterowanie każdym palcem i stawem osobno. W pracach nad elektroniką uczestniczy Amadeusz Świerk, który wspomina, że problemem było znalezienie rozwiązania na problem odczytywania przez komputer zgięcia i pozycji w ręce.

„Przy tak małych i blisko położonych stawach brakowało miejsca na odpowiednie czujniki. Przetestowaliśmy enkodery analogowe i czujniki na bazie potencjometru. Zupełnie się nie sprawdziły, bo były nieprecyzyjne i szybko się zużywały. W tej chwili uruchamiamy czujniki zgięcia na bazie enkodera magnetycznego, które są chyba najdoskonalszą i najnowocześniejszą obecnie technologią, stworzoną dla branży motoryzacyjnej. Muszą więc być niezawodne. To chipy SMD w bardzo małej obudowie o wymiarach 5 na 5 milimetrów, które potrafią bezdotykowo odczytać położenie kąta obrotu stawu, jeśli na osi stawu zostanie zamontowany odpowiedni magnes ze specjalnie dobranym polem magnetycznym” – mówił Amadeusz.

Polscy studenci chcą zarabiać

Konstruktorzy Golema żyją swoim marzeniem i pasją, ale jednocześnie mocno stąpają po ziemi. Zdają sobie sprawę, że dokończenie projektu robota jest kosztowne więc w międzyczasie rozwijają inne projekty, które mają im przynieść zysk. Wówczas zarobione środki będą mogli zainwestować w dalszy rozwój Golema. Polscy studenci założyli zbiórkę internetową na dokończenie prac nad Golemem – dostępną pod TYM adresem.

„Na rynku istnieje pewna konkurencja, ale żaden z tych projektów nie stara się odtworzyć ruchu ludzkiej ręki. Pojawiają się pewne prace, których cel jest podobny, ale są to wyłącznie eksperymenty. W tym momencie zakładamy spółkę w USA i będziemy chcieli sprzedawać nasze ręce naukowcom zajmującym się trenowaniem algorytmów sztucznej inteligencji” – dodał Juliusz.

Choć początkowa idea zakładała, że Golem będzie po prostu sprzątał mieszkania, to Łukasz i jego koledzy są w tej kwestii realistami. Zdają sobie sprawę, że skonstruowanie tak zaawansowanego robota jest póki co niemożliwe.

„Gotowy robot będzie musiał mieć plecak, ale w nim znajdzie się pojemnik na wodę i ewentualnie pompa. Z takim plecakiem uda nam się zmieścić w robocie wszystko co powinien posiadać. Teraz skupiamy się jednak na ręce i myślę, że w ciągu najbliższego roku nie wyjdziemy z naszą pracą po za ten temat. Chcemy ją po prostu idealnie dopracować. Ręka jest bowiem najtrudniejszym mechanizmem u człowieka i wymaga największej precyzji i na pewno spotkamy jeszcze dużo problemów, o których teraz nie mam pojęcia. Jednym z nich może być zmysł priopriocepcji czyli świadomość tego jak ręka jest ustawiona i nie chodzi tu tylko o kąt, ale także na przykład o napięcie mięśni. W tym momencie tego nie potrafimy zmierzyć, ale nasza praca skupi się również jak udoskonalać ten element” – podsumował Juliusz.

W najbliższych dniach konstruktorzy będą próbowali podłączyć w końcu czujniki, aby zacząć kontrolować rękę ze sprzężeniem zwrotnym.

Zbiorka na Patreon

Źródła: Automation Robotics, pwr.edu.pl, urania

Autor: Mateusz Tomanek