Robotyka i mechatronika – nowe wyzwania

Rozwój technologii mechatronicznych oraz metod formułowania modeli symbolicznych to podstawowe elementy innowacyjności w dziedzinie robotyki, umożliwiające między innymi rozwój robotów humanoidalnych oraz autonomicznych, zdalnie kontrolowanych pojazdów.
Technologie wykorzystywane w robotyce przeżywają w ostatniej dekadzie burzliwy rozwój i postęp, pozwalając konstruktorom na tworzenie nowych, niekiedy niewiarygodnych wręcz aplikacji. Dzięki temu roboty stają się modne w coraz szerszych kręgach odbiorców, a grupy inżynierskie pracują nad swoimi projektami z nieukrywaną satysfakcją i zaangażowaniem.
Wśród młodzieży wzrasta też popularność warsztatów z zakresu konstrukcji robotów oraz imprez – zawodów, gdzie nowatorskie konstrukcje konkurują ze sobą np. w zakresie szybkości czy precyzji działania. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się tu konstrukcje bazujące na popularnych skądinąd klockach Lego. Ich seria Mindstorms pozwala na konstruowanie zarówno prostych, jak i wyrafinowanych konstrukcji, z wykorzystaniem mikrokontrolerów, miniserwomechanizmów, czujników światła itp. Ponadto współczesne sklepy z zabawkami czy gadżetami pełne są różnorodnych urządzeń, zabawek itp., sterowanych komputerowo, czy też zdalnie, które jeszcze przed 20 latyuchodziłyby tak naprawdę za wyrafinowane konstrukcje w zakresie robotów czy mechatroniki. Przykładem może tu być dziwaczny odkurzacz Roomba, łączący w sobie najnowsze zdobycze technik komputerowych i mechatronicznych, umożliwiających temu urządzeniu w pełni automatyczną i autonomiczną pracę w domu. Tak szybki rozwój technik komputerowych i mechatronicznych napędza z kolei postęp w całym obszarze robotyki oraz nowoczesnych technologii sterowania i automatyzacji procesów technologicznych, wsparcia człowieka w jego codziennych czynnościach, zwłaszcza wymagających wysokiej precyzji czy konieczności użycia sporej siły fizycznej.
Narodziny mechatroniki
W ostatniej dekadzie mechatronika stała się jednym z najważniejszych obszarów działalności inżynierskiej na świecie. To dziedzina zajmująca się komputerowym sterowaniem skomplikowanych systemów mechaniczno-elektronicznych, stanowiących bazę wyjściową konstrukcji współczesnych robotów. Wraz z opracowaniem przez inżynierów praktycznych możliwości zastosowań sterowania cyfrowego urządzeń z użyciem niewielkich mikrokontrolerów i układów scalonych, powstało narzędzie o wprost nieograniczonych możliwościach implementacji w zdalnej obsłudze skomplikowanych maszyn i urządzeń. Sam termin „mechatronika” został użyty po raz pierwszy w Japonii w końcu lat 60. ubiegłego stulecia do opisu działań związanych z projektowaniem i wdrażaniem skomplikowanych konstrukcyjnie urządzeń przemysłowych. Obecnie techniki mechatroniczne stosowane są powszechnie w wielu gałęziach przemysłu, takich jak chociażby motoryzacyjna, energetyczna, aeronautyka, produkcja robotów, automatyzacja procesów przemysłowych itp. Pięćdziesiąt lat historii rozwoju mechatroniki to okres olbrzymich, epokowych zmian, a ich tempo, podobnie jak w wielu innych obszarach techniki, jest niezwykle szybkie i narasta w postępie geometrycznym. Jest tak wysokie, że za zmianami technologicznymi z trudnością nadąża nawet środowisko inżynierskie, zmuszane co pewien czas do weryfikacji swego podejścia do realizacji określonych zadań czy organizacji niektórych aplikacji. Na przykład w przemyśle motoryzacyjnym członkowie konsorcjum PMC (Plant Modeling Consortium) z udziałem firmy Toyota i Maplesoft (oprogramowanie) prowadzą obecnie intensywne konsultacje niezbędnych zmian w zakresie modelowania i projektowania systemów sterowania dla pojazdów kolejnych generacji. Szczególnym wyzwaniem są tu coraz powszechniejsze konstrukcje samochodów hybrydowych oraz w całości napędzanych elektrycznie. Ich wielomodułowa struktura wymaga zastosowania bardziej wyrafinowanych technik sterowania oraz większej elastyczności oprogramowania, tak by umożliwić właściwą integrację poszczególnych modułów. Również stosowane dotąd popularne metodologie testów oprogramowania i algorytmów sterowniczych okazują się zbyt wolne dla bardziej złożonych systemów, niezbędnych we współczesnych konstrukcjach hybrydowych i elektrycznych, co prowadzi do konieczności ich weryfikacji i opracowania nowych metod.
Podobny trend obserwuje się w innych branżach zastosowań robotyki. Przykładem mogą tu być działania Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej (CSA – Canadian Space Agency), która niedawno ogłosiła wprowadzenie nowej techniki modelowania zrobotyzowanych manipulatorów, wykorzystywanych na statkach kosmicznych oraz na międzynarodowej stacji kosmicznej. Grupa inżynierów CSA to pionierzy w zakresie rozwoju narzędzi służących automatyzacji i optymalizacji obliczeń pochodnych pojawiających się w równaniach modeli dynamicznych tego typu obiektów i aplikacji. Rosnące skomplikowanie konstrukcji współczesnych manipulatorów uniemożliwia bowiem postępowanie według dotychczasowych zasad i metodologii. Dlatego też prowadzone są działania zmierzające do opracowania nowych technik automatycznego obliczania skomplikowanych układów równań różniczkowych i generacji kodów programowych w języku C, do zastosowania bezpośrednio w testach i symulacjach robotów. Opracowano już pakiet narzędziowy Symofros, bazujący na działaniach symbolicznych, które wykorzystano w obliczeniach algebraicznych, algorytmach upraszczających modele oraz w procesie przetwarzania wyników operacji matematycznych na kod programowy języka C. W efekcie znacznie skrócono czas opracowywania i weryfikacji skomplikowanych modeli, które jednocześnie w większym stopniu oddają cechy i zachowania naturalnych obiektów, umożliwiając ich symulację praktycznie w czasie rzeczywistym.
Modele symboliczne i bezzałogowe statki powietrzne
W ostatniej dekadzie prace związane z optymalizacją modeli symbolicznych i kodów sterowania złożonymi układami mechatronicznymi są prowadzone niezwykle intensywnie. Przykładem aplikacji, w której skorzystano już z najnowszych zdobyczy w tym zakresie, jest robot systemu Delta AEMK Systems DeltaBot, który zamiast tradycyjnych sztywnych ramion ma zainstalowane elastyczne kable, umożliwiające mu szybsze i bardziej precyzyjne reagowanie, przy zmniejszonych reakcjach ubocznych (drgania, odskakiwanie itp.) i większym obciążeniu roboczym. Wspomniane metody symboliczne odegrały szczególną rolę w symulacji i testach elastycznych połączeń ramienia robota, skracając czas prac badawczych i wdrożeniowych oraz sprzyjając redukcji kosztów aplikacji.
Przykłady tego typu wskazują najdobitniej, jak niewielkie zmiany i usprawnienia procesów modelowania i symulacji mogą radykalnie wpłynąć na szybkość powstania aplikacji i jakość efektów końcowych. Najważniejszym zagadnieniem jest tu zasadniczo opracowanie metod szybkiej obróbki skomplikowanych równań różniczkowych. Tu niezbędny był rozwój metody symbolicznej, która w momencie pojawiania się pierwszych aplikacji modelowych była już dość dobrze znana. Przy pracach agencji CSA i budowie robotów systemu Delta narzędzia bazujące na metodzie symbolicznej były już technologicznie zaawansowane, a język programowania na dostatecznie wysokim poziomie, by skutecznie zaaplikować nawet wyrafinowane funkcje. Wnioski wynikające z prac przeprowadzonych przy wspomnianych projektach były jasne. Dostęp do parametrów i wyników równań różniczkowych na każdym etapie procesu modelowania, dzięki zastosowaniu metody symbolicznej, sprawia że powstający model jest znacznie dokładniejszy, a proces jego tworzenia krótszy i bardziej przejrzysty. Adaptacja tej metody obliczeniowej również na wyższym poziomie, przy algorytmach generacji kodu programowego dla sterowników, okazała się kolejnym strzałem w dziesiątkę i pozwoliła na dalszą optymalizację procesu modelowania i testowania w czasie rzeczywistym nawet skomplikowanych aplikacji mechatronicznych.
Ze względu na niepodważalną już dziś przydatność, metoda obliczeń symbolicznych podlega ciągłemu procesowi rozwoju i modyfikacji. Adaptowana jest do procesów modelowania coraz szerszego spektrum urządzeń i automatów. Jednym z nich są tzw. pojazdy autonomiczne, a wśród nich w szczególności bezzałogowe statki powietrzne i automatyczne wózki. Dla tego typu urządzeń niezbędne jest opracowanie złożonych algorytmów poruszania się pojazdów w różnych kierunkach oraz zaaplikowanie procedur ich sterowania w czasie rzeczywistym, tak by mogłyone automatycznie i samodzielnie reagować na zmieniające się warunki otoczenia. Prototypy takich pojazdów znajdują się obecnie w fazie eksperymentalnej, a ich badania i testy prowadzone są przez liczne grupy inżynierskie, nie tylko te związane z branżą militarną. Przykładem może tu być firma Quanser Consulting, skupiająca swe działania na rozwoju układów mechatronicznych, która ogłosiła w ostatnim czasie wyniki prac nad systemem sterowania helikopterów Qball-X4, który może być wykorzystany w konstruowaniu bezzałogowych statków powietrznych.
Wydaje się jednak, że aplikacjami najbardziej angażującymi obecnie grupy inżynierskie w dziedzinie mechatroniki są tzw. humanoidy. Prym w tym obszarze prac wiodą Japończycy. Firma Toyota, przy współpracy z naukowcami z Takanishi Laboratory of Waseda University z Tokio, pracuje między innymi nad robotami serii WABIAN. Są to urządzenia, które mają zdolność gry na fortepianie, oddawania emocji ruchami twarzy i korpusu czy delikatnego przenoszenia osób w dół i w górę po schodach.
Jak przyznaje szef Laboratorium Systemów Autonomicznych Drexela dr Paul Oh, sfera badań i rozwoju maszyn humanoidalnych stanowi główny nurt rozwoju technologicznego w takich krajach, jak Japonia czy Korea Południowa. Obserwuje się na tych rynkach również spore zaangażowanie w tej dziedzinie ludzi młodych, dążących do wiedzy i pragnących realizować swe techniczne ambicje. Jednakże rozwój technologii tego typu robotów uzależniony jest już dziś ściśle od postępów w opisie teoretycznym dynamiki ruchów ludzkich i usprawnieniu mechanizmów modelowania oraz testowania skomplikowanych konstrukcji mechatronicznych. Niebagatelny wpływ mają tu wspomniane już wcześniej metody symboliczne rozwiązywania rozbudowanych układów równań różniczkowych oraz optymalizacji generowania kodów dla układów sterujących. Bardziej wyrafinowane metody i techniki modelowania układów mechatronicznych sprzyjają postępowi rewolucji technologii robotów: skracają czas opracowania i rozwoju nowych projektów, zwiększają ich dokładność i lepsze odwzorowanie ruchów rzeczywistych, naturalnych oraz przyspieszają prowadzenie prac testowych.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków
CE