plik

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99

Robot jako taki

a jeżeli tak, to jaki i dlaczego?

(łapek i czułków ciąg dalszy)

poprzednim
odcinku na−

pisałem

pokrótce

o ewolucji  robota  czy
też  żółwia  elektronicz−
nego.  Teraz  zajmiemy
się tym szerzej. Pomy−
ślmy, jak zbudować ro−
bot.  Nie  jakiś  konkret−
ny, ale tak ogólnie, jak
się  do  tego  zabrać.
Niewątpliwie  na  po−
czątek  trzeba  zadać
sobie  pytanie,  co  ten
robot  ma  robić.  Po−
wiedzmy:  ma  nam  ra−
no  podać  kawę.  Nie,
nie  chodzi  o ekspres
do  kawy,  włączany  ra−
no  w sposób  automa−
tyczny.  Taki  tępak  nie
przyniesie  nam  kawy
do  łóżka.  My  chcemy
skonstruować  inteli−
gentny  automat,  który  znajdzie  puszkę
z kawą, zaparzy ją i poda cudownie aro−
matyczny napój wprost do łóżka. Chyba
właśnie  z takimi  funkcjami  kojarzy  się
słowo ‘robot’.

Taki robot musi jednak spełnić sze−

reg warunków:

− powinien mieć zdolność swobodne

go poruszania się po mieszkaniu;

− powinien mieć odpowiednie mani

pulatory (coby sobie dał radę z
puszką kawy itd.);

− musi “widzieć” (żeby się o ścianę

nie zabił i do szklanki trafił);

− musi dość intensywnie “myśleć”,

żeby przetworzyć wszystkie napły−

wające dane i podjąć stosowne akcje.

Już widać, że to nie będzie proste.

Nie rezygnuj! Czytaj dalej!

Zacznijmy od stosunkowo najłatwiej−

szej rzeczy − poruszania się. Rozważmy,
co technika dała nam do dyspozycji. Do
wyboru mamy koła, gąsienice i nogi.

Najlepsze byłyby oczywiście nogi

(długie, smukłe...). Niestety, chyba po−

zostaje jedynie się ożenić, bo mechaniczne
urządzenia  kroczące,  zwłaszcza  dwu−
nożne  są  dopiero  w fazie  eksperymen−
tów i trzeba byłoby opracowywać wszy−
stko  od  podstaw.  Zadanie  zbyt  trudne,
bo  trzeba  rozwiązać  mnóstwo  szcze−
gółowych  problemów,  w tym  na  przy−
kład napęd nóg.

Moglibyśmy użyć siłowników hy−

draulicznych (pneumatycznych), ale do
tego potrzebna byłaby też pompa cieczy
roboczej (kompresor). Poza tym rozrząd
hydrauliczny / pneumatyczny to też
ciężka

skomplikowana

sprawa.

Wszystko się da zrobić, ale wylądujemy
z silnikiem  spalinowym  na  pokładzie  −
tak  z pół  tony  precyzyjnie  obrobionej
stali. Kupa żelastwa, która − nawet jeśli
się  da  zamontować  w robocie  −    sku−
tecznie ograniczy czas jego pracy do kil−
ku minut. Przy założeniu oczywiście, że
za  naszym  lokajem  nie  będą  się  ciągać
jakieś  węże  czy  kable  zasilające.  Hy−
draulika odpada. Nogi też...

Pozostają jeszcze gąsienice i koła.

Oba  rozwiązania  mają  podobny  zakres
zastosowań,  gąsienice  są  bardziej
wszędobylskie, ale za to bardziej skom−
plikowane  w realizacji  i mają  większe
opory ruchu. Koła umożliwiają kierowa−
nie przez ich skręcanie, a nie tylko “pra−
wa przód, lewa tył, skręcamy!”.

Ponieważ na podłodze mieszkania

mogą znaleźć się różne rzeczy, sugero−
wałbym  w naszym  przykładzie  użycie
gąsienic  −  nie  ryzykujemy  ugrzęźnięcia
koła np. między dwoma butami leżący−
mi  na  środku  przedpokoju.  Tu  kwestia
wypływająca  mimochodem,  a` propos
tych  butów:  nigdy  nie  można  liczyć  na
czyste  pole  manewru.  Każde  urządze−
nie powinno sobie poradzić z nieoczeki−
waną sytuacją. Najczęściej to “poradze−
nie sobie” polegało będzie na wyłącze−
niu  silnika  i popiskiwaniu  o pomoc,  ale
to już jest coś, bo pozwoli ocalić przed
spaleniem zablokowane serwo napędu.
Zazwyczaj  potwornie  drogie  serwo  na−
pędu...

Część 2

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99

Manipulatory

Znowu prosta reguła: z armaty muchę

się ustrzeli, ale zatłuc klapką taniej. Czyli
nasz  robot  nie  zawsze  musi  mieć  dzie−
sięć  macek  i cztery  pałki.  Niekiedy  wy−
starczą  kleszcze,  a czasami  wręcz  elek−
tromagnes na sznurku. Zastanówmy się,
co  nasz  robot  ma  robić:  otwierać  sobie
drzwi, brać puszkę z kawą i otwierać ją,
brać  szklankę,  zapalać  gaz,  operować
czajnikiem,  używać  łyżeczki  i cukiernicy.
No... tu za bardzo się nie oszczędzi. Ab−
solutnym  minimum  wydają  się  być  kle−
szcze  zaciskowe  (takie  “dwa  palce”).
I wystarczy  jeden  taki  manipulator.  Pro−
blemy mogą być tylko z puszką z kawą,
ale  elektromagnes  do  jej  przytrzymania
przy otwarciu wystarczy (ale co ze szkla−
nym słoikiem? Może przyssawka? O tym
i o poruszaniu się − może w następnych
odcinkach).

Trudne, prawda. Nie podam Ci recep−

ty ma taki manipulator. Na razie zostaw−
my  na  boku  problem  naszego  kawiarza.
Ja  dążę  do  czego  innego:  do  “zmysłu
wzroku”.  Dlaczego  w cudzysłowie?  Bo
nasz  służący  i tak  nigdy  nic  nie  zobaczy
tak jak my.

Kwestie manipulatora i ogólnie − me−

chaniki robota należą do najtrudniej−
szych. Pozostawmy je na razie − wraz
z naszym kawiarzem − na boku, a zajmij−
my się kwestią − przynajmniej na począt−
ku − łatwiejszą.

Zastanówmy się, co potrzeba, aby

nasz robot “nie zabił się” przy “chodze−
niu”. W najprostszym przypadku wystar−
czy  wyposażyć  go  w zestaw  zderzaków
rozmieszczonych  na  zewnętrznym  obry−
sie.  Takie  zderzaki  zaopatrzone  w prze−
łączniki  krańcowe,  pozwolą  rozpoznać
przeszkodę. Fajnie działa (patrz poprzedni

artykuł),  ale...  problemy  pojawiają  się
w momencie, gdy nasz robot ma znacz−
ną  prędkość  poziomą.  Słowem,  jak  wal−
nie  w ścianę,  to  nie  trzeba  krańcówek  −
będziemy mogli przeprowadzić akustycz−
ną  detekcję  kolizji  i szacować  prędkość
zderzenia  na  podstawie  zasięgu  rozrzu−
conych części... Przydałoby się wiedzieć
ciut wcześniej, że trzeba hamować, nie?

Można np. zainstalować czujnik ultra−

dźwiękowy reagu−
jący na przeszkodę
z

odległości np.

50cm. Stawiam 10
do 1, że robot z ta−
kim

czujnikiem

“zaliczy”  pierwszą
pionową  rurę  jaką
napotka.  Tudzież
firan, zasłony i wszy−
stko  co  futrzaste,
co  pochłonie  ultra−
dźwięki.  Czujniki
IR  −  podczerwone
(jak te w Raabowo−
zie  −  sorry  Raabe,
ja  też  nie  lubię  tej
nazwy)  mają  je−
szcze

mniejsze

szansę − chyba, że ktoś zmontuje ultra−
czułą podczerwoną kurtynę poziomą. Ale
jeżeli takie “ustrojstwo” miałoby zauwa−
żyć pionowy pręt z 20 cm, to będzie wyć
już w odległości 5 metrów od ściany.

Może kamera?

No dobra, zapomnijmy na chwilę ile

kosztuje  taka  zabawka  i jak  trudno  ją
podłączyć do mikroprocesora. Przypuść−
my, że ktoś nam ją sprezentował i podłą−
czył. Załóżmy na początek, że nasz robot
“widzi” w podczerwieni. Stosunkowo ła−
two  skonstruować  kamerę  (niezbyt  czu−
łą,  niskorozdzielczą)  “widzącą”  ciepło.
Montujemy  ją
na

pojeździe

i całość wyglą−
da tak, jak na
rry

u 1

1. Li−

niami

przery−

wanymi ozna−
czyłem pole wi−
dzenia. Na rry

y−

u 2

2 zoba−

czysz z grubsza
jak

wygląda

obraz  na  “siat−
kówce”. Ponie−
waż kamera pa−
trzy  na  wprost,
obiekty widocz−
ne  w lewej  po−
łowie  znajdują
się w rzeczywi−
stości  po  lewej
stronie osi poja−

zdu i vice versa (tak na prawdę obraz na
siatkówce jest do góry nogami i w lu−
strzanym odbiciu, ale kto nam zabrania
sobie go później obrócić?).

Zacznijmy od sytuacji najprostszej: ro−

bot jest w pustej sali o kamiennej po−
sadzce i cieplejszych od niej ścianach.

Przypuśćmy, że jedzie prostopadle do

ściany. Na rry

u 3

3 pokazane jest, jak

zmienia się obraz na matrycy kamery

w czasie  jazdy.  Szara  plama  to  ściana.
Biała − podłoga. Jak widać, wbrew pozo−
rom,  do  określenia  odległości  od  ściany
nie  jest  potrzebny  jakiś  skomplikowany
układ  dwóch  kamer.  Wystarczy  policzyć
piksele pomiędzy środkiem obrazu (hory−
zontem),  a granicą  białe/szare.  Jeżeli  ta
liczba jest duża, ściana jest daleko. Jeże−
li maleje – znaczy że ściana jest coraz bli−
żej.  Nie  można  dopuścić,  by  była  zbyt
mała − trzeba skręcić, bo się robot rozbije.

Na dobrą sprawę niepotrzebna jest

nawet kamera − wystarczy pojedynczy
pionowy rządek pikseli w centrum obrazu.
Musimy jednak wiedzieć, przynajmniej

s.. 4

s.. 3

s.. 2

s.. 1

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99

z grubsza, pod jakim kątem jesteśmy
w stosunku do ściany. Popatrzmy znowu
“oczami robota”. R

k 4

4 pozwala zro−

zumieć, jak wygląda zbliżanie się do prze−
szkody − dotychczas pozioma granica bia−
łe  /  szare  staje  się  skośna.  Tym  bardziej,
im  pod  ostrzejszym  kątem  robot  jest
ustawiony do ściany. Liczymy więc pikse−
le  horyzont−podłoga  w dwóch  miejscach
obrazu − z lewej i z prawej strony osi. To
jest  dość  łatwe  i nawet  80C51  sobie
z tym poradzi. Jak widać, niezbędne czuj−
niki, na pierwszy rzut oka bardzo skompli−
kowane,  można  znacznie  uprościć.
W tym wypadku zamiast kamery wystar−
czą  dwa  rządki  elementów  światłoczu−
łych.  Żeby  było  śmieszniej,  można  to
uprościć jeszcze bardziej. Zamiast całego
pionowego  rządka  gęsto  upakowanych
fotokomórek, po każdej stronie pionowej
osi  siatkówki,  można  zamontować  tylko
po trzy − cztery elementy światłoczułe, tak
jak na rry

u 5

5. W miarę jak kolejne pa−

ry stają się aktywne, jesteśmy informo−

wani o zbliżaniu się do ściany. Jeśli jeden
z rządków  ma  większą  liczbę  aktywnych
elementów,  wiadomo,  że  z tej  strony
ściana  jest  bliżej  −  jedziemy  do  niej  pod
kątem. A te dwa szare (światłoczułe) po−
la? A co będzie, gdy na podłodze coś bę−
dzie  leżeć?  Pionowe  rzędy  komórek  mo−
gą tego nie zauważyć − mają rozstaw taki,
żeby uchwycić ścianę, ale coś mniejsze−
go prześlizgnie się między nimi bez tru−
du.  Poza  tym,  to  coś  może  wyskoczyć
przed robota. Człowieka nie uszkodzi, ale

za rozjechanego chomika bez względu na
genialność konstrukcji rodzina niechybnie
zlinczuje biednego konstruktora.

Na rry

u 6

6 zaznaczyłem, jakim frag−

mentom podłogi przyglądają się poszcze−
gólne  kawałki  “kamery”.  Te  dwie  duże
płaszczyzny, to pojedyncze fotoelementy.
Normalnie  powinny  widzieć  tylko  podło−
gę,  więc  będą  nieaktywne.  Gdy  cokol−
wiek podpełznie zbyt blisko, któryś z tych
elementów zareaguje. Pozostanie spraw−
dzić, który element podniesie większe la−
rum.  To  pozwoli  zadecydować,  z której
strony ominąć przeszkodę. Proste? Może
trudniejsze  w wykonaniu,  ale  sądzę,  że
dałoby  się  zrealizować  nawet  w domo−
wym  warsztacie.  Trzeba  tylko  pamiętać,
że  użyte  fotoelementy  muszą  być  dość
czułe  i wyposażone  w filtr  podczerwieni.
No  i optykę  jakąś  trzeba  dobrać,  by  uzy−
skać ostry obraz na ich powierzchni.

No dobrze. Możemy posprzątać halę

fabryczną, która ma jednolitą posadzkę.
Ale co z mieszkaniem, które na podłodze

ma dywany? Niestety, jeśli powierzchnia
podłogi nie odcina się jednolicie w całym
mieszkaniu od ścian i przeszkód, jeśli nie
ma  jednakowego  “odcienia”,  mocno
różnego od ich jasności w podczerwieni,
to  rozwiązanie  nie  bardzo  zda  egzamin.
Wróćmy  do  kamery  w swej  oryginalnej
postaci.  Trzeba  wymyślić  jakiś  sposób
pomiaru odległości niezależny od “kolo−
rów”  ścian  i podłogi.  Na  pewno  wiele
jest  różnych  sprytnych  rozwiązań,  ja
proponuję coś w rodzaju dalmierza lase−
rowego.  Pod  kamerą  zainstalowaną  jak
poprzednio  montujemy  wskaźnik  lase−
rowy z kolimatorem liniowym. Ten koli−

mator liniowy to taki element czy też ze−
staw optyczny, który kształtuje światło la−
sera nie w pojedynczy punkt, tylko w po−
przeczną linię. Wskaźnik laserowy nachy−
lony jest trochę w dół, tak aby na podło−
dze, w polu widzenia kamery widniała ja−
sna czerwona linia poprzeczna do osi po−
jazdu. Ważne jest nachylenie wiązki lase−
rowej w stosunku do osi stożka widzenia
kamery − ilustruje to rry

k 7

7. Póki do

ścian i przeszkód  jest jeszcze daleko, ka−
mera  widzi  tylko  pojedynczą  poziomą  li−
nię. Jeśli jednak coś stanie “żółwiowi” na
drodze,  przetnie  też  drogę  wiązki  lasero−

wej  − fragment czerwonej linii na obra−
zie  znajdzie  się  niżej  (nachylenie  wiązki
do  osi  kamery!)  −  patrz  rry

k 8

8. Wy−

starczy na obiektyw czarno−białej kame−
ry nałożyć filtr w kolorze lasera i kwestia
wydaje się być rozwiązana. Na ciemnym
obrazie  mamy  tylko  jasną  pręgę,  której
pionowe  współrzędne  odzwierciedlają
bezpośrednio  odległość  od  przeszkody
w danym  kierunku.  Pozostaje  kwestia
“spojrzenia  w słońce”.  Czyli  −  wyelimi−
nowania  zakłóceń.  Układ  nie  może  rea−

gować na odległe lampy itd. jak na prze−

szkody tuż przed nosem. Najprościej jest
po prostu zignorować część obrazu powy−
żej “zerowego” położenia pręgi laserowej
wiązki. Lepiej jednak nie świecić świa−
tłem ciągłym, tylko kluczować światło la−
sera i szukać w obrazie punktów migają−
cych z tą samą częstotliwością − wymaga
to jednak większej (dużo) mocy oblicze−
niowej procesora.

Tyle (na razie) rozważań na temat zmy−

słu wzroku u żółwia.

arre

k L

kii

ttw

wiilliig

htt@

alllliis

stto

o..k

krra

w..p

pll

s.. 5

s.. 7

s.. 8

s.. 6