Robot oparty na ludzkiej anatomii

Autor:
|
Kategoria: Wiadomości

Robot oparty na ludzkiej anatomii – ze sztucznymi kośćmi i mięśniami – od kilku lat powstaje w mieszkaniu Łukasza Koźlika, studenta mechaniki i budowy maszyn PWr. W przyszłości ma wyręczać człowieka w zadaniach, którymi nie lubi się zajmować (jak sprzątanie!) i takich, które nie są dla niego bezpieczne.

Golem – bo tak będzie się nazywał robot – powstaje już od prawie sześciu lat. Nawiązanie do pozbawionej duszy, mitycznej glinianej istoty powołanej do życia, by służyć ludziom, nie jest przypadkowe. Łukasz Koźlik nigdy nie lubił sprzątać i z rozmyślań o tym, jak pozbyć się tego przykrego obowiązku, zrodził się Golem. A w zasadzie nie tylko z samego myślenia, ale i pasji do konstruowania już o dziecka i z przypadkowego odnalezienia u znajomego artysty książki „50 robotów. Rysuj i maluj” Keitha Thompsona.

– Natrafiłem tam na ilustrację nogi obleczonej w sztuczne mięśnie. I to było to! Od razu wiedziałem, że chcę się tym zająć. Wróciłem do domu i tego samego dnia przeczytałem wszystko na temat sztucznych mięśni, co tylko udało mi się znaleźć w internecie – opowiada Łukasz, który wówczas uczył się grafiki komputerowej w szkole policealnej, a swoją przyszłość wiązał raczej z zespołem rockowym.

W sieci wyczytał, że prace nad wykorzystaniem syntetycznych mięśni w robotach prowadzono już w latach 50. Słynna konstrukcja McKibbena opierała się o muskuł pneumatyczny. To „mięsień” składający się z nadmuchiwanego powietrzem balonika o wydłużonym kształcie, umieszczonego wewnątrz nylonowej siatki o skośnym splocie. Z jednej strony jest połączony z przewodem doprowadzającym sprężony gaz, a z drugiej, za pomocą linki, z dźwignią jednego z elementów ortezy. Napompowany gazem działa jak prawdziwy mięsień – a więc zwiększa swój obwód i skraca długość.

Od tego czasu naukowcy w wielu miejscach świata pracowali nad wykorzystaniem sztucznych mięśni w różnych konstrukcjach – jak dotąd nie są one jednak powszechnie stosowane w robotycznych kończynach (odwzorowujących te ludzkie), głównie dlatego, że trudno jest osiągnąć precyzję ich działania. Pojawiające się konstrukcje są raczej większe niż człowiek, a zastosowane rozwiązania nie do końca odpowiadają wyglądowi i możliwościom ludzkich mięśni.

Metody prób i błędów
Łukasz postanowił więc zbudować własnego robota – takiego, który będzie maksymalnie przypominał człowieka. Analizując ilustrację w książce, zaczął od bardzo prostej drewnianej konstrukcji ręki – z listewek, zawiasów i sznurków – tylko po to, by sprawdzić, jak działa. Kolejna powstała już ze stali – jej elementy były prostokątne, a stawy frezowane. Szybko okazało się, że w takiej „ręce” nie da się przenieść napędu liniowego mięśnia poprzez ścięgno tak, by dochodziło do zgięcia w płynnym ruchu. Albo konstrukcja nie zginała się w ogóle, albo robiła to bardzo gwałtownie. Nijak nie przypominało to ludzkich ruchów.

– Doszedłem więc do tego, że konieczne są wyoblenia na kościach, aby siły w mięśniach inaczej się rozkładały – opowiada Łukasz. – Czyli w praktyce wpadłem na to, o czym natura już dawno pomyślała, bo tak właśnie zbudowane są nasze szkielety. Zacząłem studiować atlasy anatomiczne i nadawać stali dokładny kształt kości ręki.

Tamtą konstrukcję zasilał płyn hamulcowy. Daleko było jej do doskonałości i przez częste rozszczelnienia dochodziło do „wybuchów” płynu, który – jak łatwo się domyślić – nie należy do łatwych w zmywaniu. Ucierpiały ściany, podłogi, a nawet… garnitur. Należał do Amadeusza Świerka, który przed grzebaniem przy robocie nie zdążył się przebrać po jednym z egzaminów (studiował wówczas automatykę i robotykę na Wydziale Elektroniki, a obecnie Advanced Applied Electronics – na tym samym wydziale). Łukasza poznał przez wspólnych znajomych.

– Spotykaliśmy się wtedy w małym gronie, zajmując różnymi techniczno-matematycznymi projektami. Na jedno z takich spotkań kolega zaprosił Łukasza, wiedząc, że buduje jakiegoś robota. Przyszedł z reklamówką, z której wyjął wyrzeźbioną i zespawaną rękę. Do niej poprzyczepiane były strzykawki z płynem hamulcowym poruszającym mięśnie. Nie było tam żadnej automatyki. Działało, ale było bardzo topornym rozwiązaniem. Mimo to robiło wrażenie – opowiada Amadeusz, który wkrótce dołączył do Łukasza i od tej pory razem spędzają popołudnia, pracując nad Golemem.

Na razie skupiają się na ręce, bo z ich punktu widzenia jest najistotniejszym elementem budowanego robota. Wszak człowiek swoją sprawność i precyzję zawdzięcza przede wszystkim dłoniom, którymi może i przenosić duże ciężary, i przeprowadzać operacje na otwartym sercu. Od bezawaryjnej pracy rąk Golema będzie więc zależała jego przydatność.

Zamiast stali tworzywa sztuczne
By nie musieć rzeźbić ręki ręcznie, Łukasz przeszedł kurs CNC (komputerowego sterowania urządzeń numerycznych).

– Dzięki temu przygotowałem jeden palec robota z aluminium, ale zajęło mi to sporo czasu i z racji mojego małego doświadczenia nie było zbyt precyzyjne. Do tego koszt frezarki CNC zdecydowanie nie był w moim zasięgu – opowiada. – Porzuciłem więc metal i razem z kolegą, Juliuszem Tarnowskim, także studentem PWr, próbowaliśmy przetworzyć gotowy szkielet ludzki, który za 500 zł można sobie kupić przez internet, by np. przygotowywać się do egzaminu z anatomii. Na nim kleiliśmy więzadła i odtwarzaliśmy ścięgna, ale takie rozwiązanie nie było wytrzymałe.

Juliusz (wówczas automotyka i robotyka Wydziale Elektroniki, a aktualnie na kierunku Embedded Robotics) miał jednak drukarkę 3D, która okazała się rozwiązaniem problemu. Wydrukowali z tworzywa kształt kości z mechanicznymi połączeniami stawów (taki sam jak w wersjach stalowych i aluminiowych Golema) i to był strzał w dziesiątkę.

– Poza tym, że materiał nie do końca nam odpowiadał. Od razu kupiłem więc najwytrzymalsze tworzywo do drukarek, jakie było wtedy dostępne na rynku, czyli poliamid, i własną drukarkę 3D, żeby samemu projektować i drukować – dodaje Łukasz.

Wizyty w prosektorium
W pewnym momencie Łukasz poczuł, że chęci, ogromne zaangażowanie i internet to za mało – brakuje mu konkretnej wiedzy technicznej. Stąd studia na Politechnice Wrocławskiej. Wybrał zaoczną mechanikę i budowę maszyn na Wydziale Mechanicznym. Nie zawiódł się, bo przy kilku kwestiach mógł liczyć na porady wykładowców, którzy chętnie podpowiadali rozwiązania albo chociaż kierowali do innych specjalistów.

Łukasz szuka zresztą odpowiedzi na pytania związane z Golemem w każdym możliwym miejscu. Jedną z większych trudności do pokonania była choćby kwestia przyczepów ścięgien, które często się zrywały. Konieczne było ich dokładne anatomiczne odwzorowanie. Atlasy nie wystarczały, bo nawet te najdokładniejsze pokazywały wszystko wyłącznie w dwóch wymiarach. Łukasz zwrócił się więc o pomoc do jednego z profesorów na Uniwersytecie Medycznym (nie znał go wcześniej, po prostu zapukał do jego drzwi i wyjaśnił, kim jest i jaki ma pomysł), a ten zaprosił go do prosektorium. Konstruktor był tam kilka razy, by dokładnie przyjrzeć się całej anatomii człowieka: od kości, przez ścięgna, po mięśnie, tłuszcz i skórę.

Zawory w wersji mini
– Problem z przyczepami ścięgien był jednak niczym przy kwestii małych elektrozaworów – wspomina Amadeusz. – Podziwiam Łukasza, że pracując nad nimi, nie poddał się i nie zarzucił całego projektu.
– Męczyłem się z tym dwa lata i ostatecznie nic z tego nie wyszło – wyjaśnia Łukasz. – Stworzyłem około 50 prototypów. Trzymam je dziś w osobnej skrzynce, żeby je pokazywać, kiedy ktoś pyta o pracę nad Golemem.

Zawory służą do zamiany sygnałów elektrycznych na hydrauliczne (płyn hamulcowy zastąpiła w Golemie woda) – są więc kluczowe dla ruchu robota. Ogromne znaczenie ma też ich rozmiar. Muszą być jak najmniejsze, by zwyczajnie zmieścić się w „ciele” robota, a małych elektrozaworów nie ma na rynku. Dlatego Łukasz budował własne i po dwóch latach prób z pomniejszaniem zaworów opartych na elektromagnesach, zajął się takimi, które są sterowane serwomechanizmami (silnikami z przekładnią i czujnikiem).

W korpusie Golema będzie musiało zmieścić się około 400 takich zaworów. Na razie miejsca wystarcza na 40, które sterują 20 mięśniami, czyli jedną ręką. To wszystko razem z dwiema pompami i zbiornikiem wody wypełnia robota po miednicę i szczyt klatki piersiowej. Łukasz skonstruował już jednak nowy zawór, który jest osiem razy mniejszy od poprzedniego i dwukrotnie tańszy (co nie jest bez znaczenia). Zyskał też możliwość płynnego sterowania prędkością przepływu cieczy, a co za tym idzie – skurczu mięśnia.

Czujniki jak z samochodu
Amadeusz od pięciu lat projektuje i wytwarza elektronikę w Golemie. Od roku ręka robota jest programowana – m.in. przez Juliusza. Konstrukcja działa na systemie Rapsberry Pi, została napisana skryptami Pythona. Działa w oparciu o sekwensery ruchu, które tworzą płynny ruch całej kończyny. Komputer wysyła więc sygnały do każdego mięśnia osobno, co pozwala na sterowanie dowolnym palcem i stawem – tak jak w ludzkiej ręce.

Zanim stało się to możliwe, konieczne było jednak rozwiązanie problemu odczytywania przez system każdego zgięcia i pozycji w ręce.

– Przy tak małych i blisko położonych stawach brakowało miejsca na odpowiednie czujniki – opowiada Amadeusz. – 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.

Programista poszukiwany
Obecnie Golem, a w zasadzie jego ręka (pokryta lateksową skórą przypominającą ludzką – choć jeszcze w fazie udoskonalania), może np. podnieść kombinerki ze stołu i odłożyć je.

– Na razie każdą taką komendę musimy wpisać ręcznie do komputera. Docelowo chcemy jednak, żeby robot się uczył, kopiując ruchy człowieka, które wcześniej zarejestruje zamontowana w nim kamera – podkreśla Amadeusz.

Choć obaj konstruktorzy Golema są pochłonięci swoją pasją, nie przestają być realistami – dlatego podkreślają, że nie tworzą robota do sprzątania mieszkań (mało kogo byłoby stać na taką pomoc jeszcze przez wiele lat, ale w przyszłości… kto wie?), a konstrukcję, która może wyręczyć człowieka w trudnych warunkach. Mogłaby więc sprawdzić się tam, gdzie środowisko jest skażone albo nie ma tlenu – np. pod wodą albo idąc dalej – w kosmosie.

Trzeźwe podejście do życia sprawia też, że jednocześnie z Golemem rozwijają kilka innych projektów – takich, które w krótszym czasie mogą im przynieść zyski (zamierzają założyć firmę), potrzebne do rozwijania robota.

– Jeśli chcemy, by praca nad Golemem nabrała rozpędu, musimy zatrudnić kilku pracowników – tłumaczy Łukasz. – Jest kilka osób, które pomagają nam z doskoku, przy konkretnych kwestiach, ale to za mało. Już teraz potrzebujemy programisty programującego wysokopoziomowo. Na razie możemy zaproponować tylko wspólną pracę w ramach rozwijania hobby, tak jak działamy obecnie my. Jeśli ktoś jest chętny, by razem z nami tworzyć Golema, zapraszamy.

Postępy w pracach nad robotem można śledzić na facebookowym profilu Tworzenie Golema i Youtube. Konstruktorzy opowiadają tam o rozwiązaniach, nad jakimi pracują i dzielą się problemami, z którymi przychodzi im się mierzyć.

Źródło: profil FB Tworzenie Golema

Źródło: profil FB Tworzenie Golema