Młodzi naukowcy z Wydziału Mechanicznego tworzą autonomiczną platformę wielozadaniową Krab. To robot kroczący, który będzie w stanie transportować około 100 kg ładunku, a wyposażony w dodatkowe elementy może wykonywać także inne zadania.

Platforma powstaje dzięki finansowaniu z programu badań naukowych na rzecz obronności i bezpieczeństwa państwa („Przyszłościowe technologie dla obronności – Konkurs Młodych Naukowców). Fundusze na tę inicjatywę pochodzą z Ministerstwa Obrony Narodowej, a kwestiami organizacyjnymi programu zajmuje się Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Kroczenie to dopiero początek

Projekt z Wydziału Mechanicznego PWr jest jednym z 18 zatwierdzonych do realizacji. Warunkiem udziału było zaangażowanie wyłącznie młodych naukowców (do 35. roku życia). Zespół tworzy dziewięć osób, a jego kierownikiem jest Artur Muraszkowski z Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn i Układów Mechatronicznych.

- Duża część grupy pracującej nad robotem to członkowie międzywydziałowego koła naukowego „Synergia”, które zajmuje się mechatroniką, w szczególności autonomicznymi robotami – podkreśla Muraszkowski. – To studenci, absolwenci i doktoranci naszej uczelni.

Prace nad Krabem zaczęły się w lipcu 2018 r. Na razie gotowy jest pierwszy model robota, w którym testowano różne wykorzystywane technologie. W tej chwili powstaje drugi model, który ma pełnić funkcję prototypu (będąc na tzw. na szóstym poziomie gotowości technologicznej).

- Będzie to jeden z pierwszych robotów kroczących opracowanych w Polsce, który będzie potrafił coś więcej niż tylko poruszać się – wyjaśnia kierownik projektu. – Do tej pory bowiem na całym świecie powstało bardzo wiele modeli robotów kroczących, ale prace badawcze nad nimi koncentrują się na opracowywaniu i rozwijaniu algorytmów utrzymywaniu przez nie równowagi – niezależnie od warunków otoczenia – oraz związanych z kroczeniem. My natomiast tworzymy platformę, która sama ważąc około 100 kg, będzie w stanie transportować ładunek o podobnej masie. Do tego, jeśli zainstaluje się na niej dodatkowe wyposażenie jak manipulatory z chwytakami, będzie także w stanie wykonywać dodatkowe zadania – w zależności od zapotrzebowania.

Robot będzie poruszał się autonomicznie, omijając przeszkody i wykrywając obecność człowieka. Posłużą mu do tego m.in. kamera termowizyjna, skaner otoczenia czy dalmierz laserowy. Dzięki temu będzie mógł być wykorzystywany m.in. w zadaniach wojskowych np. do patrolowania, transportu, wykrywania wroga czy namierzania celów. Krab może być jednak przydatny nie tylko w wojsku, ale także w cywilnym transporcie, budownictwie, ratownictwie przy poszukiwaniu ofiar w palących się lub grożących zawaleniem budynkach czy w ochronie mienia.

Schody? Żaden problem

Naukowcy rozważają zainstalowanie w robocie m.in. klap ładunkowych (umieszczonych pod platformą). Pozwoliłyby Krabowi na samodzielne podniesienie konkretnego obiektu i przeniesienie go w wyznaczone miejsce, po tym jak zlokalizowałby go, korzystając z jego współrzędnych GPS.

- Nasz projekt jest badawczy. Testujemy więc różne rozwiązania, sprawdzając ich przydatność i wpływ na funkcjonowanie całej platformy – zaznacza Muraszkowski. – Bierzemy więc pod uwagę zarówno to, że ostateczna wersja Kraba będzie miała takie klapy, jak i rozwiązanie z platformą ładunkową, na której ręcznie umieszcza się ładunek i przymocowuje pasami.

Robot będzie miał około 80 cm szerokości i długość około 1,5 m, a poruszając się, będzie wykorzystywał osiem odnóży. Jego chód będzie zbliżony do sposobu przemieszczania się kraba. Poradzi sobie z przechodzeniem przez trudne tereny – piaszczyste, kamieniste czy z dużymi nierównościami. Wejdzie także i zejdzie po schodach i z łatwością będzie wyznaczał sobie trasy wewnątrz budynków.

- Zazwyczaj w robotach kroczących każda noga ma przynajmniej trzy stopnie swobody i trzy napędy. My zastosowaliśmy mechanizm Klanna, dzięki czemu jeden napęd wystarcza nam do osiągnięcia trajektorii zbliżonej do ruchu nogi – wyjaśnia kierownik projektu. – Ostatecznie do sterowania ośmioma nogami wystarczą nam cztery napędy, co znacznie ułatwia sterowanie robotem. Do tego schowaliśmy napędy głęboko w korpusie Kraba, dzięki czemu są chronione przed uszkodzeniami. W klasycznych robotach te urządzenia są zamontowane na nogach i wystarczy jedno silniejsze uderzenie, by doszło do awarii i uszkodzenia napędu, który jest kosztowym elementem. Zabezpieczenie ich było dla nas istotne, bo Krab będzie poruszał się po przestrzeniach, na których uderzenia np. kamieni będą codziennością.

Muraszkowski dodaje, że robot będzie na tyle stabilny, że nawet uszkodzenie jednej z nóg (do czego może dojść w naprawdę wyjątkowych okolicznościach) nie spowoduje uziemienia Kraba. Będzie nadal mógł realizować swoje zadanie, nieco tylko utykając.

- Ta stabilność wynika z konstrukcji robota – tłumaczy naukowiec. – W przeciwieństwie do innych zespołów badawczych skupiających się na utrzymywaniu równowagi takich platform dzięki odpowiednim algorytmom, my postawiliśmy na mechanikę. Naszego robota bardzo trudno byłoby przewrócić. Stoi stabilnie na gruncie, podobnie jak np. koparka.

Znajdzie człowieka w zadymionym budynku

Obecnie członkowie zespołu pracują m.in. nad poprawieniem płynności chodu kraba i rozwijaniem jego autonomii. Dzięki skanerom 3D robot będzie mógł tworzyć przestrzenną mapę otoczenia i wysyłać ją bezprzewodowo. – Będzie go więc można wykorzystywać jako pojazd rekonesansowy do rozpoznania terenu potencjalnie niebezpiecznego dla człowieka jak np. pole walki, palący się budynek, teren skażony chemicznie lub biologicznie – opowiada kierownik projektu. – Będzie też wykorzystywał tę mapę do własnych celów – autonomicznego nawigowania i odnajdywanie się w terenie.

Do poruszania się po otwartych przestrzeniach oprócz skanerów 3D krab będzie wykorzystywał system GPS, co znacząco ułatwi jego lokalizowanie w terenie. Zespół rozwija teraz także technologię przemieszczania się wewnątrz budynku bez użycia zewnętrznych źródeł informacji o położeniu (gdzie GPS nie pomaga). - Żeby osiągnąć ten cel, robot został wyposażony w dwa skanery 3D, czujnik inercyjny (IMU), enkodery zamontowane na nogach oraz algorytm SLAM, który analizując dane z czujników, potrafi określić położenie platformy – wyjaśnia Muraszkowski.

Platforma potrafi też wykrywać ludzi i to na obrazie z kamery termowizyjnej, dzięki czemu możliwe jest znalezienia człowieka nie tylko w dzień czy w nocy, ale także w zadymionym pomieszczeniu. Do analizy obrazu wykorzystano sieci neuronowe.

Na swoje działania zespół ma jeszcze rok. Projekt ma się zakończyć na tzw. szóstym poziomie technologicznym, czyli ostatnim etapie badawczym przed pracami rozwojowymi i wdrożeniowymi. Naukowcy będą musieli także opracować wstępne założenia taktyczno-techniczne robota. – Co w praktyce oznacza, że gdy nasz projekt będzie gotowy, będzie go można dopracować do konkretnych rozwiązań i wdrożyć do produkcji – tłumaczy kierownik projektu.

W prace nad APW-Krab zaangażowani są: mgr Artur Muraszkowski, mgr Przemysław Sperzyński, mgr Tomasz Ursel, mgr Mateusz Fiedeń, mgr Michał Miotk, mgr Stanisław Dac, mgr Sebastian Mróz, inż. Patryk Zalisko i Błażej Dębogórski.

Lucyna Róg