ساخت روبات، برای شبیه‌ سازی حرکت انسان

در آزمایشگاه روباتیک پویای دانشگاه ایالتی اورگان (Oregon)، من گروهی از پژوهشگران را برای شناسایی اصول حرکات پا و کاربرد این کشفیات روی روبات‌ها، رهبری می‌کردم. همچنین یکی از مؤسسان و مدیران فن‌آوری «Agility Robotics»، استارت‌آپی در آلبانی برای پیگیری استفاده تجاری از حرکت پای روباتیک بودم. در سال 2017، ما پلتفرم کاسی (Cassie) را افتتاح کردیم و به چند گروه تحقیقاتی فروختیم. خیلی زود، یک روبات جدید، آماده برای ورود به دنیا داشتیم. دیجیت (Digit)، پاهایی مشابه با کاسی و حسگرهای درک محیط و یک جفت بازو برای ثبات و ایجاد تغییرات در آینده داشت.

از طریق آزمایشگاه و شرکت، ما تلاش می‌کردیم روبات‌هایی بسازیم که بتوانند همانند انسان‌ها، به هرجایی بروند. من اعتقاد دارم که روبات‌های پادار، روزی به محافظت از افراد مسن و ناتوان در خانه‌هایشان، نجات افراد در آتش‌سوزی و زلزله و رساندن بسته‌های پستی به درب منازل، کمک خواهند کرد. پاهای روباتیک نیز باعث افزایش انعطاف‌پذیری بدن و اعضای قدرتمندی می‌شوند که می‌توانند باعث حرکت بیشتر افراد معلول گردند. درنهایت می‌توان این تخیلات را وارد زندگی واقعی کرد.

برخی پرندگان، اصلا نمی‌توانند پرواز کنند. برخی هم، بهتر از پرواز کردن، راه می‌روند. شترمرغ، بوقلمون، مرغ دریایی و بلدرچین نمی‌توانند مثل یک شاهین بجنگند؛ اما آن‌ها، با پاهایشان، سریع حرکت می‌کنند. با همکاری مونیکا دالی (Monica Daley)، از دانشکده دامپزشکی سلطنتی دانشگاه لندن، من و همکارانم، ساعت‌های بسیاری را صرف مشاهده راه رفتن پرندگان و دویدن آن‌ها در آزمایشگاه کردیم. ما می‌خواهیم درک کنیم که چگونه این حیوانات، به‌طرز سریع و کارآمدی، حرکت می‌کنند.

در یک آزمایش، مرغ دریایی درحال حرکت، پایش را روی گودالی گذاشت که با صفحه‌ای سفید، پوشیده شده بود. پرنده نمی‌دانست که قرار است در چاله‌ای بیفتد که 0.5 فوت عمق دارد. با این حال، حیوان اشتباه نکرد و پایش را کمی بیشتر کشید و از مانع گذشت. نکته بسیار قابل توجهی، این‌جا وجود دارد. مغز پرنده، مجبور نیست اختلال را درک کند؛ زیرا پاهایش به‌تنهایی مشکل را حل می‌کنند.

این آزمایش، نکته مهمی را به طراحان روبات، پیشنهاد کرد. اگر ابتدا روبات خود را بسازید و سپس تصمیم به برنامه‌ریزی برای سرعت آن کنید، حتماً شکست خواهید خورد. درباره مرغ دریایی، چابکی روبات، در بخش بزرگی از خواص مکانیکی طبیعی بدن آن، یا دینامیک انفعالی ازنظر روباتیک، نهفته است. این امر، در بسیاری از پروژه‌های روبات پادار، نادیده گرفته می‌شود. با مهندسی دقیق دینامیک غیرفعال روبات، همراه با کنترل نرم‌افزار، به عنوان یک سیستم یکپارچه، شما فرصت ایجاد روباتی را با قابلیت‌های عملکردی یک حیوان، افزایش می‌دهید.

هرچند حیوانات، الهام‌بخش ما هستند؛ ما از شکل پای یک پرنده، یا ترتیب عضلات و استخوان‌های پای انسان، کپی‌برداری نمی‌کنیم. درعوض فیزیک متحرک حیوانات را بررسی می‌کنیم و یک حالت ریاضی، از مدل درک شده می‌سازیم. سپس آن را در رایانه، شبیه‌سازی و در روبات‌های واقعی، اجرایی می‌کنیم. به دلیل استفاده از فلز و تجهیزات الکترونیکی، به جای استخوان‌ها و مغزها برای ساختن این روبات‌ها، آن‌ها شاید ظاهری متفاوت از یک حیوان داشته باشند؛ اما هنوز هم، فرآیندی مشابه آن‌ها دارند.

یکی از ساده‌ترین مدل‌های ریاضی، شامل جرم نقطه‌ای (نماینده بدن فوقانی) متصل به یک جفت فنر ایده‌آل نشان دهنده پاها است. این الگو، به عنوان یک مدل توده فنری، ساده‌سازی شده است. شکلی شبیه چوب ندارد. نمایانگر پاهایی با مفاصل نیست و در نقاط مجزا، روی زمین احساس نمی‌‎شود. مدل توده فنر می‌تواند نتایج شگفت‌آوری به همراه داشته باشد. در شبیه‌سازی‌ها، می‌تواند تقریباً هر قدم زدن و دویدن دیده شده را در انسان و حیوان، تولید کند.

برای آزمایش نمونه توده فنر، گروه من، در ایالت اورگان، با همکاری هارتموت گایر (Hartmut Geyer) از دانشگاه «Carnegie Mellon»، جسی گریزل (Jessy Grizzle) از دانشگاه میشیگان و آتریاس (ATRIAS)، یک روبات دوجانبه را –که نام آن، نشانگر فرضیه قبلی اصلی ما است– توسعه داد. فرض کنید که این روبات، یک کُره است. ایده این بود که دینامیک منفعل روبات می‎‌تواند بسیار نزدیک به بازتولید آن دسته از جرم نقطه، با پاهای فنری ساخته شود.

ما هر پا را از میله‌های سبک فیبر کربنی، در یک ساختار متوازی ‌الاضلاع شناخته شده، به عنوان یک پیوند 4 باری (Four-bar linkage) ساخته‌ایم. این ساختمان، جرم پاها و ارتباط آن‌ها را تقریباً مانند مدل توده فنر، به حداقل می‌رساند. ما همچنین قسمت بالایی پاها را با فنرهای فایبرگلاس مجهز کردیم که از لحاظ فیزیکی، قسمت فنر مدل را تداعی و با بررسی ضربات زمینی، انرژی مکانیکی را ذخیره می‌کند.

در ابتدا، آتریاس به سختی می‌توانست بایستد. ما آن را با اتصال تسمه‌هایی، پشتیبانی کردیم؛ اما با تصحیح کنترل کننده آن –که مسیر، سرعت و شیب بدن را حفظ می‌کرد– روبات اولین گام‌هایش را برداشت و خیلی زود، در آزمایشگاه راه رفت. نسخه بعدی آتریاس، در یک آزمایش -که 2 تن از دانشجوهایم، به سمتش توپ پرتاب کردند- بازیابی خود، پس از زمین خوردن را یاد گرفت. ما همچنین آتریاس را به زمین فوتبال دانشگاه بردیم و سرعت این روبات را به 7.6 کیلومتر در ساعت، افزایش دادیم. سپس آن را سریعاً در نقطه پایانی، متوقف کردیم.

برای درک بهتر عملکرد روبات، تصور کنید که کور هستید. عصا دارید و قسمتی از بدنتان، در یک فرش، پیچیده شده است. بنابراین نمی‌توانید از بازوی خود، برای تعادل، بهره بگیرید. تنها کاری که می‌توانید انجام دهید، این است که به راه رفتن، ادامه دهید و این همان کاری است که آتریاس انجام می‌دهد. حتی قادر به عبور از موانعی مانند چند تخته در مسیرش هم بود.

با وجود اهمیت سرعت، آتریاس باید بتواند قدرتش را نیز مدیریت کند. ما عملکرد آن را با اندازه‌گیری پارامتری به نام هزینه حمل و نقل (COT) اندازه گیری کردیم. این پارامتر، به عنوان نسبت مصرف انرژی به سرعت و وزن، تعریف شده است و برای مقایسه بهره‌وری انرژی، از شیوه حرکت حیوانات و ماشین‌آلات، استفاده می‌شود. هرچه هزینه حمل و نقل، کمتر باشد؛ بهتر است. به عنوان مثال، فردی که راه می‌رود، هزینه حمل و نقلش 0.2 واحد است. درحالی که براساس گزارش‌ها، روبات‌های شبیه انسان، هزینه‌ای معادل 2 و 3 واحد دارند.

آزمایش‌های ما، نشان دادند که آتریاس در حالت پیاده، هزینه حمل و نقلی بالغ بر 1.13 واحد دارد و این امر، نشان دهنده مزایای بهره‌وری از روبات‌های دینامیک است. درواقع چند باتری لیتیوم پلیمری کوچک –هم‌نوع به کار رفته در ماشین‌های کنترل رادیویی– می‌توانند عملکرد آتریاس را حدود یک ساعت، حفظ کنند.

ما همچنین نیروی استفاده شده از طرف روبات روی زمین را اندازه‌گیری کردیم. ما آتریاس را با وزنی معادل 72.5 کیلوگرم، یا تقریباً معادل وزن یک انسان، روی یک صفحه نیرو (صفحه بهره گیری شده در پزشکی ورزشی، برای ارزیابی راه رفتن شخص، با سنجش نیروهای واکنش زمین) قرار دادیم. با حرکت روبات، ما داده‌های نیرو را ثبت کردیم. سپس آتریاس را با یکی از دانشجویانم، جایگزین کردم و گام‌های او را نیز ثبت کردم. با ثبت نیروهای واکنش زمین، در زمان‌های مختلف، 2 مجموعه داده، دقیقاً یک شکل بودند. تا آن‌جا که می‌دانیم، این بهترین نتیجه به دست آمده، در مقایسه با حرکت انسان است.

براساس نتایج پدیدآمده، یک سیستم ساده توده فنری می‌تواند در یک روبات، ساخته شود. بسیاری از صفاتی که ما به دنبال آن‌ها هستیم، مانند بهره‌وری، قابلیت اطمینان و سرعت را به‌وجود می‌آورند و در هسته اصلی حرکت روبات‌های پادار، جای می‌گیرند. اکنون زمان آن فرا رسیده است که ما روبات بعدی را بسازیم.

روبات کاسی، یک راه‌رونده دینامیک مانند آتریاس است. ما هر جنبه از طراحی آن را با هدف ایجاد یک روبات توانمند، بهینه‌سازی کردیم. ما قصد داشتیم که این روبات، داخل یک جنگل راه برود، از مسیرهای سخت عبور و بدون تسمه ایمنی، با یک باتری ساعت‌، کار کند.

روبات یادشده، بر مبنای مفاهیم توسعه یافته برای آتریاس، طراحی شده؛ اما ما تصمیم گرفتیم که به آن، پاهای جدیدی بدهیم. ما از 2 موتور، استفاده کردیم؛ تا پیوند 4-بار، روی هر پای آتریاس، قدرتمندتر شود. به این ترتیب، ابعادشان به حداقل رسیده بود؛ اما اختلافی به‌وجود آمد. در طول هر چرخه، یک موتور، بدون نیاز به هزینه قابل توجه انرژی، به عنوان ترمز، روی دیگری عمل کرد. برای کاسی، ما ساختار متناوب پا را به منظور حذف این اثر، مطالعه کردیم. در طراحی نوین، موتورها می‌توانند کوچک‌تر باشند. بنابراین روبات، حتی عملکرد بهتری نسبت به آتریاس، خواهد داشت.

باید توجه داشت که ساختار پای کاسی، نتیجه این تحلیل است. شباهت پا، به شترمرغ، یا حیوانی دیگر، نشان می‌دهد که ما در مسیر درستی، قرار داریم؛ اما هدف، ایجاد روباتی با پَر نبود که دقیقاً مانند شترمرغ استرالیایی باشد.

هرکدام از پاهای این روبات، 5 محور حرکتی -یا به زبان روباتیک- درجات آزادی دارند که هرکدام با یک موتور جداگانه، رانده می‌شود. مفصل ران، 3 درجه آزادی دارد و شبیه به مفصل خود ما است که به پا، اجازه چرخش در هر مسیری می‌دهد. 2 موتور دیگر، مربوط به مفاصل زانو و پا هستند. کاسی درجات دیگر آزادی، در ساق و مچ پا دارد. این اعضا، غیرفعال هستند و با موتور، کنترل نمی‌شوند؛ اما درعوض، به فنرهایی متصل می‌شوند که به روبات، امکان حرکت در مسیرهای پیچیده می‌دهند. باید دانست که یک روبات انسان‌نما نمی‌تواند حتی آن‌ها را در مسیر صاف، تحمل کند.

پاهای جدید کاسی، نیاز به یک کنترل‌کننده بسیار پیچیده سطح پایین‌تر از آتریاس دارد. با کاربرد آتریاس، پیشرفت پا، به‌سادگی با کاربرد گشتاورهای مساوی و مقابل با 2 موتور، انجام می‌شود. به کمک این پا، حرکت انگشتان، در یک مسیر خاص، نیازمند محاسبه گشتاورهای گوناگون، برای هر موتور است. برای اجرای این کار، کنترل‌کننده به اینرسی پاها، دینامیک موتورها و گیربکس‌ها، نیاز دارد.

با وجود پیچیده شدن مشکل کنترل، این روش، اجازه عملکرد بهتر و به‌کارگیری طیف گسترده‌تری از رفتارها را می‌دهد. با به کارگیری یکی از کنترلرهای اولیه ما، کاسی  می‌تواند پیاده‌روی 5 کیلومتر در ساعت، داشته باشد. کشش قدرت، از یک‌صد وات (ایستاده)، تا حدود 300 وات (پیاده روی) محاسبه می‌شود و باتری لیتیوم یون، اجازه انجام دادن حدود 5 ساعت کار مداوم را فراهم می‌کند. پاهای جدید، همچنین به کاسی اجازه می‌دهند؛ تا در مسیری راه برود که آتریاس نمی‌توانست. کاسی به لطف یک مفصل پا می‌تواند بدون نیاز به حرکت مداوم، به طریقی که آتریاس انجام می‌داد، در مکانی بایستد.

کاسی تقریباً 31 کیلوگرم وزن دارد که نصف آتریاس است. در کمتر از یک دقیقه، شما می‌توانید 2 کاسی را در صندوق عقب ماشین جای دهید. قسمت‌های بدنه کاسی، از آلومینیوم و فیبر کربن ساخته شده‌اند و یک پوسته محافظ، از جنس کلراید آکریلیک پلی وینیل، –یک پلاستیک قوی– از این روبات، در برابر سقوط و برخورد، محافظت می‌کند.

کاسی هنوز در جنگل راه نرفته است؛ اما ما آن را بدون بند ایمنی، بیرون برده‌ایم. این دستاورد، هم اکنون روی خاک، چمن و مسیرهای پربرگ، حرکت می‌کند. ما درحال یادگیری نحوه یکپارچه‌سازی رفتارهای دینامیک روبات، با برنامه‌ریزی حرکتی هستیم که به عنوان مثال، به آن، امکان بالا رفتن از پله می‌دهد. همچنین روی یک ویژگی دیگر، کار می‌کنیم که روباتی مانند کاسی را بسیار مفیدتر می‌کند و آن، قابلیت بازوها است.

دیجیت، نسل بعدی کاسی، به شمار می‌آید. پاهای مشابهی دارد؛ اما ما یک نیم‌تنه و یک جفت بازو، به آن اضافه کردیم. بازوها برای کمک به تحرک و تعادل روبات و هماهنگ با راه رفتن آن، طراحی شده‌اند. آن‌ها همچنین به دیجیت، اجازه نگه داشتن خودش را هنگام سقوط داده، بدن را مجدداً به سمت عقب، هل می‌دهد؛ تا بتواند از روی زمین، بلند شود.

مورد دیگری که دیجیت نسبت به کاسی دارد، ادراک یکپارچه است. ما تعدادی حسگر، شامل یک لیدار (Lidar) به بالای نیم‌تنه آن افزودیم. این حسگرها، با گرد‌آوری اطلاعات، به روبات، امکان عبور از انواع موانع را ازجمله اتاق‌های شلوغ و پله‌ها می‌دهند و هنگام برخورد با موقعیت‌های غیرمنتظره و اشتباهات حساس، به دینامیک‌های پایدار اصولی، تکیه می‌کنند.

دیجیت و روبات‌های پادار، راه درازی در پیش دارند؛ اما ما معتقدیم که آن‌ها دنیا را تغییر خواهند داد. تأثیرشان می‌تواند به همان اندازه اتومبیل، زندگی انسان‌ها، یا حتی الگوهای ترافیکی و جنبه‌های طرح‌بندی شهری را عوض کند. جایی که این روبات‌ها قرار است کارهای مختلفی را مانند حمل و نقل و تحویل بسته، انجام دهند.

در آینده نه چندان دور، با خودمختاری وسایل نقلیه، سازندگان خودرو و شرکت‌های سواری مانند: لیفت (Lyft) و اوبر (Uber)، مالک ناوگان‌های بزرگ این‌گونه خودروها خواهند شد و مسافران را در ساعات اوج ترافیک، جابه‌جا خواهند کرد؛ اما در اواخر شب و اواسط روز، این وسایل نقلیه خودکار، چه خواهند کرد؟ به‌جای اقدامات بیهوده، آن‌ها بسته‌های پستی را از انبارها، به خانه شما می‌آورند. با این حال، این وسایل نقلیه پستچی، محدودیت‌هایی دارند. بدون حضور یک انسان، آوردن بسته به درب منزل، چالش بزرگی خواهد بود. به همین دلیل، روبات‌های پادار، به میدان می‌آیند. اگرچه چرخ‌ها و بال‌ها، شاید برخی از این نقش‌ها را داشته باشند، در دنیای طراحی شده برای موجودات 2 پا، هیچ پلتفرم متحرکی نمی‌تواند همانند روبات پادار چندمنظوره باشد.

روبات‌های پستچی، بخشی از سامانه تدارکات خودمختار هستند که از تولیدکنندگان و فروشندگان، به‌‎طور مستقیم، به خانه شما می‌آیند. این سیستم، هزینه‌های حمل و نقل را –تا هنگامی که اقلام برای پست، نسبت به خریدشان از انبارهای روشن و گرم، انعطاف‌پذیر و قابل دسترس انسان، هزینه‌های کمتری داشته باشند– کاهش می‌دهد. فروشگاه‌های بزرگ –که امروزه کالاهای ضروری را به فروش می‌رسانند– دیگر کارایی قبل را نخواهند داشت. مطمئناً مردم، هنوز از خرید در فروشگاه، برای محصولات خاص، لذت خواهند برد؛ اما برای خریدهای هفتگی، روبات‌های تحویل دهنده، باعث صرفه‌جویی در زمان و هزینه شما می‌شوند.

حرکت با پاها، به روبات‌ها کمک می‌کند تا کارهای خانه و تجارت را انجام دهند. این پدیده‌ها می‌توانند از پله‌ها بالا بروند و در محیط‌های پرجمعیت حرکت کنند. درحالی که به‌صورت ایمن، در مقیاس انسانی، با آن‌ها ارتباط دیداری دارند. آن‌ها با حمل و نقل وسایل، همانند دستگاه‌های دورحضور، عمل می‌کنند. اعضای خانواده و دوستان نیز اجازه دارند از روبات‌ها، برای صحبت با مردم، از راه دور و نگه داشتن آن‌ها به‌صورت گروهی، استفاده کنند.

روبات‌های پادار، حتی می‌توانند به مکان‌های خطرناک برای انسان بروند. آن‌ها با جمع‌آوری اطلاعات، در زمان واقعی، به آتش‌سوزی‌های جنگل، یا ساختمان‌های آتش گرفته، وارد و از حال افراد، باخبر می‌شوند. همچنین می‌توانند به مناطق خطرناکی مانند پایگاه هسته‌ای «Fukushima Daiichi» -که دسترسی به آن‌ها، دشوار است- گام بگذارند. روبات‌ها بازرسی‌های منظم فضاهای داخلی سدهای هیدرولیکی و کارهای مربوط به معدن را انجام می‌دهند. به علاوه امکان بهره‌مندی از آن‌ها در میدان های جنگ نیز وجود دارد؛ زیرا قدرت مانور بالاتری داشته، از میزان تلفات جانی نیروهای خودی می‌کاهند.

بسیاری از چالش‌ها، برای آینده باید حل شوند؛ اما من معتقدم که جامعه روباتیک می‌تواند این فناوری را عملی کند. اکنون تنها یک گام دیگر، برای روبات و یک جهش بزرگ، برای بشریت، وجود دارد!