Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Kráčející roboty pro vojenství, průmysl a ekologii (idea, historie, stav řešení a perspektiva)

Automa 1/2000

pplk. doc. Ing. Vladimír Řeřucha, CSc., doc. Ing. Zdeněk Krupka, CSc.,
katedra technické kybernetiky a vojenské robotiky, Fakulta letectva a PVO, Vojenská akademie v Brně
(reruch@cs.vabo.cz)

Kráčející roboty pro vojenství, průmysl a ekologii
(idea, historie, stav řešení a perspektiva)

Obr. 1.

1. Úvod
Záměrem článku je seznámit odbornou veřejnost s ideou řešení úlohy konstrukce kráčejícího robotu, jeho řízením a zejména jeho využitím jak ve vojenské oblasti, tak v oblasti civilní obrany, v průmyslu a v zemědělství. Zároveň chceme seznámit zájemce s historií řešení problému kráčejících podvozků, s dosaženými výsledky, současným stavem a s další perspektivou řešení daného úkolu na katedře technické kybernetiky a vojenské robotiky Vojenské akademie v Brně, která se jím ve spolupráci s dalšími vojenskými i civilními institucemi již od roku 1988 zabývá.

2. Kráčející robot
Kráčející robot je autonomní mobilní robotický systém, který obsahuje (tak jako každý mobilní robot) dva relativně samostatné subsystémy:

  • lokomoční podsystém,
  • manipulační nástavbu.

Obr. 2.

Oba podsystémy obvykle plní odlišné cíle.

Cílem lokomočního podsystému je zajistit efektivní přesun robotu v terénu – pohyb. po stanovené či robotem určené trase, popř. zaujmout požadovaný bod v prostoru.

Cílem manipulační nástavby (manipulátoru) je plnit specifické cíle robotu, ať již během přesunu nebo v cílovém bodě. Jde obvykle o tyto úlohy:

  • manipulace s materiálem,
  • sběr optické, akustické nebo jiné informace,
  • bojová činnost apod.

Lokomočním podsystémem kráčejícího robotu je kráčející podvozek, jehož hlavní předností je možnost pohybu v málo známém a extrémně členitém terénu.

3. Kráčející podvozek

3.1 Proč kráčející podvozek?

Kráčení je přirozený způsob lokomoce mnoha živých tvorů, avšak v technické praxi zatím širší uplatnění nenašel. Hlavní příčinou doposud sporadického využití kráčejících podvozků je složitost a nákladnost konstrukce a zejména složitost jejich řízení. Přesto je kráčejícím podvozkům věnována nemalá pozornost a jsou považovány za perspektivní prostředky lokomoce. Je to hlavně proto, že jsou použitelné ve velmi členitých terénech a v prostředích, kde je použití kolových nebo pásových podvozků značně problematické nebo úplně nemožné.

Není divu, že výzkum kráčejících podvozků byl často inspirován vojenskými potřebami, které předpokládají pohyb techniky v těžko přístupných terénech s velkým množstvím přirozených i umělých překážek, způsobených např. bojovou činností vojsk.

Obr. 3.

Ve vojenské oblasti se pro využití kráčejících robotů rýsuje mnoho výhodných aplikací, které však mají jeden společný jmenovatel, a to řešení technických, obslužných a bojových úloh v prostředích, která jsou jiným mobilním prostředkům nedostupná a kde se doposud uplatnil pouze člověk, avšak kde samotná přítomnost člověka vede přímo k ohrožení jeho zdraví nebo života. Jsou to např. tyto vojenské a záchranné úlohy:

  • plnění úkolů v oblastech postižených katastrofou nebo v oblastech zasažených účinkem zbraní hromadného ničení,
  • transport raněných z ohrožené oblasti,
  • manipulace s výbušninami nebo s jinými zdraví ohrožujícími látkami a materiály,
  • odminování terénu,
  • autonomní průzkumná činnost,
  • strážní činnost,
  • autonomní bojová činnost apod.

Současně je však výzkum kráčejících podvozků motivován i jejich potenciálním průmyslovým, zemědělským a ekologickým využitím, kde se mj. počítá s uplatněním kráčejících robotů v těchto úkolech:

  • záchranné práce v místech katastrof a živelních pohrom (zemětřesení, jaderné havárie, apod.),
  • stavební a jiné práce v horském terénu,
  • práce v lesních porostech, např. při těžbě dřeva,
  • práce na mělkém mořském dně,
  • speciální zemědělské práce, při kterých není umožněn pojezd kolového podvozku apod.

Hlavní přednosti kráčejících podvozků ve srovnání s klasickými podvozky spočívají ve výlučných vlastnostech kráčení jako způsobu lokomoce, kterými jsou:

  1. Volné zavěšení noh, jejichž konstrukce a řízení umožňují relativně nezávislý pohyb trupu podvozku vůči terénu. Těžiště trupu tak nutně nemusí kopírovat terén a je umožněn pohyb trupu „z místa“ v libovolném směru, protože směr pohybu není konstrukčně svázán s podvozkem. Kráčející podvozek je také schopen zdolávat terén s extrémním sklonem, neboť způsob jeho konstrukce umožňuje přesouvat jeho těžiště vůči chodidlům oporných noh a dosahovat tak vždy stabilní polohy.
  2. Druhou důležitou vlastností kráčení je diskrétní (nespojitá) stopa. Oblast kontaktu podvozu s terénem je dána pouze dotykem chodidel jednotlivých noh. To umožňuje překračovat místa, kde je uskutečnění došlapu nevhodné nebo nemožné, a zdolávat překážky různých typů. Současně je možné použít lokomoci kráčením i ve značně výškově členěném terénu: po schodech, po navršených kamenech, apod.
  3. V některých případech je možné u kráčejících podvozků využívat i režim pohybu cvalem nebo skokem.

Obr. 4.

Hlavní nevýhody kráčejících podvozků lze shrnout do tří skupin.

  1. Konstrukce kráčejícího podvozku je náročná, protože mechanismus obsahuje velké množství kinematických dvojic. Problém je zabezpečit dostatečnou pevnost a tuhost konstrukce noh a jejich pohonů pro velkou a značně variabilní silovou zátěž.
  2. Řízení kráčejících podvozků je značně složité. To plyne z mnohorozměrnosti řízené soustavy a značné redundance řídicích veličin. Povaha zákonů řízení vede ke konstrukci rozsáhlého hierarchického řídicího systému.
  3. Pohyb kráčejícího podvozku je energeticky náročný. Energetická náročnost pohybu kráčením je ovlivněna především dvěma faktory. Zaprvé obvykle neexistuje samosvorný statický stav, kdy jsou statické síly kompenzovány konstrukcí podvozku. I stojící podvozek vyžaduje aktivní činnost pohonné soustavy a spotřebovává energii i pro eliminaci statických sil. Druhým faktorem je to, že energetické ztráty při přenosu nohy, které jsou úměrné její hmotnosti a momentům setrvačnosti, progresivně rostou s rychlostí pohybu kráčejícího podvozku. Energetická náročnost pohybu zmenšuje poměr mezi užitečným zatížením podvozku a jeho vlastní hmotností. S tím také souvisí relativně drahý provoz kráčejících podvozků.

Konstruktéři se snaží uvedené nevýhody překlenout konstrukčním řešením podvozků, zejména:

  1. vhodným návrhem struktury kráčejícího mechanismu, který umožňuje efektivní chůzi,
  2. využíváním vhodných technologií a lehkých materiálů pro konstrukci noh,
  3. hledáním optimálních energetických zdrojů a efektivního způsobu rozvodu energie,
  4. hledáním účinného způsobu řízení podvozku, který zásadně ovlivňuje efektivitu chůze, ale zejména má zajistit co nejlepší využití všech možností a výhod, které chůze jako způsob lokomoce nabízí.

3.3 Pohled do historie kráčejících robotů

První význačný pokus o sestrojení kráčejícího vozidla byl učiněn na Kalifornské státní univerzitě v polovině šedesátých let, kdy byl sestrojen Phoney Pony – čtyřnohý kráčející mechanismus. Každá noha měla dva stupně volnosti. Byl to první plně autonomní kráčející mechanismus a poprvé v něm byl použit číslicový počítač pro řízení. Řídicí systém lokomoce byl inspirován biologickými vzory a byl založen na generování posloupností konečných stavů (finite state control).

V polovině sedmdesátých let vzniklo několik laboratorních vzorů kráčejících robotů. Na Ohijské státní univerzitě byl vytvořen šestinohý kráčející robot (OSU hexapod). Každá noha měla tři stupně volnosti. Řídicí systém byl navržen hierarchicky. Plánovač pohybu vybíral umístění bodů došlapů tak, aby zabezpečil maximální statickou stabilitu podvozku. Primární úlohou počítače bylo vyřešit inverzní úlohu kinematiky pro body došlapů určené plánovačem. Na tomto robotu byly rozpracovány servosystémy řízení jednotlivých noh. Byly provedeny experimenty s řízením operátorem a v automatickém režimu se systémem strojového vidění. Robot měl schopnost překračovat malé překážky a zdolat schod při řízení joystickem.

V Ústavu mechaniky Moskevské státní univerzity byl vytvořen elektromechanický kráčející robot. Senzorický podsystém byl tvořen triangulačním dálkoměrem, snímači sil v holeních, které umožňovaly určovat vektory oporných sil, a gyroskopem zachovávajícím vertikálu. Délka robotu byla 0,7 m, hmotnost 18 kg. V Ústavu aplikované mechaniky AV SSSR vznikl elektromechanický kráčející robot o délce 0,6 m a hmotnosti 56 kg. Byly s ním prováděny experimenty zaměřené na vývoj algoritmů řízení operátorem i na činnost v automatickém režimu, algoritmy překračování definované překážky apod.

Od počátku osmdesátých let začal především v USA a Japonsku intenzivní výzkum zaměřený na vývoj kráčejících robotů schopných řešit aplikační úlohy. Na Ohijské státní univerzitě vznikl šestinohý kráčející robot ASV (Adaption Suspensio Vehicle). Hmotnost robotu byla 2 700 kg, nosnost 90 kg a délka těla robotu 5,2 m. Každá noha měla tři stupně volnosti, zabezpečené pantografickým mechanismem. Pohony byly hydraulické, zdrojem energie byl motor o výkonu 50 kW. Robot byl vybaven systémem strojového vidění na základě skenujícího dálkoměru.

Obr. 5.

Společností Sutherland, Sproul and Associates (USA) byl realizován šestinohý kráčející robot. Systém řízení zabezpečoval chůzi po rovném terénu, řidič-operátor byl na palubě vozidla. Hmotnost vozidla byla 820 kg. Zdrojem energie byl benzinový motor o výkonu 13 kW.

Počátkem devadesátých let byl na Carnegie Mellon University sestrojen kráčející robot Ambler. Jeho výška je asi 5,4 m a hmotnost asi 2,5 t. Je to šestinohý robot, každá noha má tři stupně volnosti: rotační koleno, rotační kyčel a translační vertikální osu. Každá noha je vybavena šestiosým silovým senzorem. Kráčení členitým terénem je řízeno centrálně.

Od druhé poloviny osmdesátých let byla v MIT vyvinuta skupina malých kráčejících robotů – Attila, Genghis, Hannibal. Vývoj začal na základě výzkumného úkolu NASA, přičemž vyvinuté roboty měly být schopny autonomní činnosti a kooperace při sběru informací na jiných planetách. Návrh řídicího systému robotu byl inspirován pozorováním hmyzu. Rozměry robotu minimalizují dynamické efekty při lokomoci i možnost sebepoškození při nárazu nebo pádu.

Senzorický podsystém zahrnuje asi sto různých senzorů. Při vyhodnocování senzorické informace byl zaveden tzv. virtuální senzor, který shromažďuje a vyhodnocuje informaci z více fyzických senzorů. Řídicí systém pracuje už pouze s filtrovanou informací, oddělenou od fyzického zařízení. Hannibal prokázal použitelnost koncepce pro malé kráčející roboty, nicméně ze zanedbání dynamických efektů vyplývá, že koncepce řízení je přenositelná na středně těžké a těžké kráčející roboty pouze v omezené míře.

Obr. 6.

V Japonsku je projekt robotů nové generace financován Ministerstvem zahraničního obchodu a průmyslu. Hlavním způsobem lokomoce robotů se má stát chůze. V Tokijském technologickém institutu byl vytvořen čtyřnohý robot PVII. Hmotnost robotu je 10 kg, délka nohy 0,87 m. V konstrukci nohy je využit prostorový pantografický mechanismus. Robot je schopen pohybu po nerovném terénu. Na základě zkušeností s tímto robotem byl vyroben větší robot s analogickou kinematikou noh o hmotnosti 150 kg. V Laboratoři inženýrské mechaniky v Tsukubě byl vyroben kráčející robot MELWALK-III. Hmotnost robotu je 35 kg, nosnost 25 kg, délka 0,5 m. Společnost Komatsu vyrobila osminohý robot určený pro topografický průzkum mořského dna do hloubky 70 m. Hmotnost robotu je 29 t, délka 8,1 m.

Do osmdesátých let spadají projekty kráčejících robotů společnosti Odetics (USA). Cílem projektu kráčejících robotů ODEX 1 bylo zabezpečit strojovou lokomoci v prostředí určeném pro chůzi člověka, a to jednak v definovaném prostředí (schodiště, úzké chodby s pravoúhlými zatáčkami apod. – verze tzv. indoor robotu) a pro venkovní prostředí (zdolávání nerovností terénu, lezení na nákladní rampy a překračování překážek – verze tzv. outdoor robotu).

4. Orientace řešitelského pracoviště a stav řešení
Problém kráčení, konstrukce kráčejících podvozků a syntézy jejich řízení je řešen na katedře kybernetiky a vojenské robotiky (K 308) Vojenské akademie v Brně ve spolupráci s některými dalšími katedrami VA a některými mimoakademickými institucemi (např. VUT Brno a ÚIVT ČAV Praha) po etapách od roku 1988. Výsledkem řešení je mj. analýza pohybu kráčejících mechanismů, vytvoření matematického modelu kráčejícího podvozku, vytvoření simulačních počítačových modelů kráčejících mechanismů, syntéza algoritmů řízení kráčejícího podvozku s prvky umělé inteligence, řešení základních úloh jeho lokomoce, jakož i návrh a výpočet pohonů kráčejícího mechanismu a energetických parametrů jeho pohybu v terénu.

Obr. 7.

V současnosti je úsilí řešitelského kolektivu orientováno na konstrukci funkčního vzorku kráčejícího mechanismu s elektrickým pohonem v rámci projektu Inteligentní kráčející robot pro bojovou a obslužnou činnost (zadavatel: Ministerstvo obrany ČR), jehož výsledkem bude reálný kráčející mechanismus, na kterém budou ověřeny, popř. modifikovány navrhované algoritmy řízení a který poslouží pro ověření a návrh vhodných funkčních nástaveb (manipulačních či speciálních zařízení) pro finální činnost robotu při pohybu v terénu nebo v požadovaném cílovém postavení. Použití kráčejícího podvozku se předpokládá pro řešení projektu robotického odminování (Group Mobile Robots Applications Strategy for Hazardous Environments), který je v současnosti řešen katedrou K 308 ve spolupráci s vysokými školami a ústavy v ČR a s TU Delft (Nizozemí) v rámci přípravy grantového úkolu vědeckého programu Nato for Peace.

5. Řízení kráčejícího robotu
Základní variantou kráčejícího podvozku je podvozek se šesti mechanickými nohami. Každá noha má tři stupně volnosti. Schéma šestinohého podvozku (hexapodu) je na obr. 1.

Kráčející podvozek je speciálním typem lokomočního podsystému mobilního robotu, který nese funkční nástavbu (manipulátor, zbraňový systém, průzkumný systém, zařízení pro detekci a likvidaci min apod.). Obecná struktura mobilního robotu je na obr. 2.

Řízení kráčejícího podvozku má hierarchickou strukturu. Postavení člověka-operátora v hierarchii řízení určuje míru autonomnosti robotu (obr. 3).

Obr. 8.

Kráčející podvozek určený pro chůzi ve složitém terénu představuje sám o sobě kognitivní robot a v jeho struktuře jsou patrné typické robotické podsystémy (obr. 4).

Vzhledem k hierarchii cílů pohybu kráčejícího robota je členěn i jeho kognitivní řídicí systém. Obsah zákona řízení na vyšších úrovních řízení naplňuje vyšší cíl řízení – plánování a realizaci pohybu po zvolené trase či pohybu do požadovaného bodu v prostoru (obr. 5, obr. 6).

Struktura řídicích úloh řešených řídicím systémem na lokomoční úrovni řízení zajišťuje naplňování nižšího cíle lokomoce – vlastního efektivního pohybu v terénu. Struktura základních úloh řešených na lokomoční úrovni je uvedena na obr. 7.

Hlavním obsahem zákona řízení na úrovni řízení trupu je koordinátor chůze, který na základě direktiv pohybu, skutečné polohy a rychlosti robotu a informací o terénu v blízkém okolí robotu určuje, kam a kdy která noha došlápne (obr. 8). Struktura adaptačních smyček koordinátoru chůze je znázorněna na obr. 9.

V závislosti na složitosti terénu je modifikován způsob chůze i jeho řízení – tj. k adaptaci chůze od jednoduché programové chůze v rovném terénu až po plně autonomní a cyklickou chůzi, která je nutná ve velmi složitém terénu s překážkami.

Obr. 9.

Povaha kráčení jako způsobu lokomoce vyžaduje jiný než klasický, tj. přímý algoritmický přístup k syntéze zákona řízení. Pro syntézu zákona řízení lokomoce kráčejícího podvozku je využit evoluční – samoučící přístup, který je založen na adaptaci a učení vhodně zvolené řídicí struktury. Struktura inteligentního řídicího systému lokomoce je znázorněna na obr. 10.

Základem pro evoluční syntézu koordinace a chůze je struktura, která zahrnuje tři struktury schopné učení (podsystémy R1 až R3) a koordinační algoritmy Pi,j, zajišťující jejich spolupráci ve fázi učení i vlastní činnosti.

R1 je systém prohledávání stavového prostoru, řešící úlohu nalezení aktuální odezvy kooordinátoru v případě, že není k dispozici žádná jiná informace (znalost) o vhodné reakci systému.

R2 je produkční systém, obsahující znalosti o adekvátních reakcích systému a jejich omezeních v podobě produkčních pravidel, spolupracující se systémem R1 zejména při usměrňování procesu prohledávání.

R3 je neuronový řídicí systém, učící se na základě činnosti předchozích dvou systémů (způsoby on-line i off-line), schopný po naučení s nejnižší procesní náročností nalézt potřebnou reakci systému i v případě zatím nenaučené situace.

6. Závěr, příprava odborníků a vybrané publikace
Syntéza a řízení kráčejících robotů přesahuje hranice konvenčních přístupů a musí být řešena pomocí přístupů, metod a prostředků, které spadají do oblasti inteligentního řízení systémů, jež odpovídá současnému paradigmatu automatického řízení a zahrnuje přístupy a metody počínaje klasickou automatickou regulací, přes optimální řízení až po řízení využívající znalostní systémy, umělé neuronové sítě, fuzzy systémy atd.

Obr. 10.

Problémy spojené se syntézou robotických systémů, včetně robotů kráčejících, mohou úspěšně řešit pouze vysokoškolsky vzdělaní systémoví odborníci, specialisté v oblasti kybernetiky a robotiky. Příprava odborníků se uskutečňuje na katedře technické kybernetiky a vojenské robotiky Fakulty letectva a PVO Vojenské akademie v Brně, a to v pětiletém magisterském studijním programu Vojenská technika – elektrotechnika a ve studijním oboru Vojenská robotika a kybernetika, který je určen pro vojenské i civilní studenty.

Absolventi oboru jsou elektrotechnickými inženýry schopnými využívat složité kybernetické a robotické systémy, simulátory a trenažéry používané ve vzdušných a pozemních silách a v logistickém zabezpečení vojsk AČR. Absolventi se mohou uplatnit jako inženýři v oblasti návrhu a provozu automatizovaných systémů řízení, robotických systémů pro bojovou a obslužnou činnost, simulátorů a trenažérů pro přípravu velitelů a štábů k velení a řízení vojsk a pro výcvik osádek a obsluh zbraňových a obslužných kompletů. Vzdělání má systémový charakter založený na hlubokých znalostech kybernetiky, umělé inteligence, robotiky, programování, počítačové techniky a simulačních technologií, což absolventovi nabízí uplatnění nejen při výstavbě, provozu a údržbě automatizovaných a robotických systémů, simulátorů a trenažérů, ale také při jejich výzkumu a vývoji jak ve vojenství, tak i v civilním sektoru. Vynikající absolventi mohou pokračovat ve vzdělání v rámci doktorského studia v oborech Technická kybernetika a Robotické systémy.

Studium probíhá ve spolupráci s českými vysokými školami, ústavy AV ČR a se zahraničními univerzitami, zejména v Nizozemí, Velké Británii, USA a Kanadě.

Literatura:

[1] Kolektiv: Výzkumná zpráva HS-36-88 – Studie kráčejících podvozků. VA Brno 1989.

[2] ŘEŘUCHA, V. a kol.: Výzkumná zpráva T2-TP-VU/VA –Mobilní robot. Kinematika, dynamika a modelování kráčejících podvozků. Brno 1992.

[3] ŘEŘUCHA, V. – KRUPKA, Z. – PROCHÁZKA, D. –MUSÍLEK, P.: Synthesis of Control Law for Stepping Robot, In: Proc. WAAC 93, Prague, May 1993.

[4] ŘEŘUCHA, V. – PROCHÁZKA, D.: Locomotion Control of Walking Robot Based on Machine Learning. Essay for Int. Dipl. Course of AI, Brno. University of Porto. September 1993.

[5] MUSÍLEK, P. – ŘEŘUCHA, V. – PROCHÁZKA, D.: Artificial Neural Networks. In: Autonomous Mobile Robot Path Planning, In: Proc. CATE 93, Brno, October 1993.

[6] ŘEŘUCHA, V. – KRUPKA, Z. – PROCHÁZKA, D. – MUSÍLEK, P.: Walking Robot Intelligent Control. In: Proc. CATE 93, VUT Brno, LIACC University of Porto, October 1993.

[7] ŘEŘUCHA, V. – KRUPKA, Z. – PROCHÁZKA, D.: Inteligentní řídící systém lokomoce kráčejícího robota. In: Proc. 9. mezinárodná konferencia VŠDS, Žilina, září 1993.

[8] ŘEŘUCHA, V. – PROCHÁZKA, D. – MUSÍLEK, P.: Comparative Learning Approach to Robot Locomotion Control. In: Proc. NEURONET 93. 2nd Int. Conf. on Neural Networks, Prague, October 1993.

[9] ŘEŘUCHA, V. – PROCHÁZKA, D.: Multi-Learning Approach to the Robot Controller Design. In: Proc. PASE 93 - 4th Int. Workshop on Parallel Applications. In: Statistic and Economic, Ascona, November 1993.

[10] ŘEŘUCHA, V. – PROCHÁZKA, D.: Multistrategy Learning Approach to Design of Walking Robot Controller. In: Proc. 12th Int. Meeting on Cybernetics and Systems Research Wiena, April 1994.

[11] ŘEŘUCHA, V. – PROCHÁZKA, D. – KRUPKA, Z.: Intelligent Control of Systems; Intelligent Walking Vehicle Control. In: proc. of The XXVI-th International Scientific Conference, Military Technical Academy in Bucharest, Romania, Nov. 1995.

[12] ŘEŘUCHA, V.: Inteligentní řízení kráčejícího robota. Habilitační práce, Brno 1997.