Zespół naukowców z Politechniki Koszalińskiej opracował konstrukcję specjalnego kręgosłupa, który udoskonala budowę i cechy robota humanoidalnego. Nasi naukowcy zaprojektowali także wielopunktowy przegub zapewniający robotowi elastyczność pracy. Oba rozwiązania zostały objęte ochroną patentową. Uzyskały też nominację do konkursu Eureka ogłoszonego przez „Dziennik-Gazetę Prawną”.

To rozwiązania z zakresu bioniki, czyli dziedziny zajmującej się przenoszeniem do świata techniki rozwiązań, które natura doskonaliła przez miliony lat.

- Jeszcze do niedawna uważano, że ze świata ożywionego do świata techniki niewiele da się przenieść. Przeszkodą miała być różnica materiałów, cech, funkcji – przyznaje prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak, naukowiec z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Energetyki Politechniki Koszalińskiej, kierujący badaniami z zakresu mechaniki precyzyjnej. - Później okazało się, że postęp w technice przyniósł rozwiązania lepsze niż te, które przez miliony lat kształtowała natura. I odwrotnie: w świecie ożywionym jest mnóstwo doskonałych rozwiązań, które warto naśladować, projektując urządzenia czy procesy przemysłowe.

Profesor przewiduje, że w najbliższych latach, obok rozwoju sztucznej inteligencji w szybkim tempie rozwijać się będzie cybernetyzacja naszego otoczenia. Nowym kierunkiem rozwoju może zostać Sensoryczna Sztuczna Inteligencja. Już teraz powstaje wiele form robotycznych o cechach typowych dla układów ożywionych. Roboty ułatwiają działanie branży przemysłowej, wspierają rozwój medycyny. Są wykorzystywane m.in. w usługach, rehabilitacji, edukacji, ale także tam, gdzie praca jest uciążliwa i niebezpieczna dla człowieka.

Robot z dobrym kręgosłupem

Jednym z najtrudniejszych, a przy tym najciekawszych wyzwań przy projektowaniu robotów (szczególnie tych, które sylwetką przypominają człowieka) jest zaprojektowanie odpowiednika kręgosłupa. Dlatego wiele tego typu maszyn porusza się w sposób sztywny, bez takiej elastyczności, jaką mają ludzie.

Sposobem na rozwiązanie problemu może być zastosowanie samonośnego kręgosłupa humanoidalnego, którego konstrukcja opiera się na wzorcach wypracowanych przez naturę. Taki kręgosłup zaprojektował zespół, którym kieruje prof. Wojciech Kacalak. W skład zespołu wchodzą dr hab. inż. Zbigniew Budniak, prof. PK i dr inż. Monika Szada-Borzyszkowska.

Grupa naszych naukowców ma duże doświadczenie w projektowaniu rozwiązań polepszających pracę robotów humanoidalnych. Opracowany przez nich samonośny kręgosłup składa się z elastycznych modułów. Poszczególne człony można konfigurować indywidualnie, w zależności od tego, jaka jest potrzeba użytkownika.

Przez środek wszystkich modułów biegnie kanał, w którym umieszczono systemy sterujące. We wnętrzu zamontowane są m.in. toroidalne elementy sprężyste. Elementy te odkształcają się, gdy zgina się humanoidalny kręgosłup i samoczynnie wywołują potem zjawisko prostowania. To one decydują o tym, w jakiej pozycji znajduje się kręgosłup, dzięki czemu jego praca nabiera elastyczności. Pełnią tę samą funkcję, jaką w organizmie żywym wypełniają mięśnie.

- W ciele człowieka to właśnie mięśnie prostują kręgosłup i decydują o sprężystości sylwetki – podkreśla prof. Wojciech Kacalak. - Tu mamy kręgosłup i wbudowany mechanizm samoprostowania w jednym. Modułowa budowa kręgosłupa humanoidalnego jest stosunkowo łatwa do wytworzenia, a przy tym prosta w montażu. Poszczególne człony mocowane są zatrzaskowo poprzez lokalne odkształcenia ustępujące po zmontowaniu.

Kręgosłup humanoidalny może znaleźć zastosowanie w robotyce humanoidalnej, ale także przy budowie egzoszkieletów, czyli takich układów, które połączone z ciałem lub odzieżą wspomagają funkcjonowanie człowieka. Stanowiłyby wsparcie dla osób, które mają kłopot z utrzymaniem wyprostowanej postawy. Przeznaczeniem kręgosłupów humanoidalnych może być również dydaktyka. Mogą wreszcie być wykorzystywane podczas rehabilitacji po urazach kręgosłupa.

Naukowiec z Politechniki Koszalińskiej przewiduje, że tak skonstruowane kręgosłupy znajdą zastosowanie także przy budowie robotów pełzających. Urządzenia mogłyby być wykorzystywane podczas robót inspekcyjnych w rurach, czy w tych miejscach, które są niebezpieczne ze względu na zagrożenie wybuchem.

Wynalazek został zarejestrowany przez Urząd Patentowy pod nazwą: samonośny kręgosłup robota humanoidalnego.

Przegub niczym ludzki staw

Zespół prof. Wojciecha Kacalaka ma na swoim koncie także inne interesujące rozwiązanie, które stanowi modyfikację działania robotów humanoidalnych i które również zostało objęte ochroną patentową. Chodzi o wielopunktowy przegub, który zapewnia robotowi elastyczność, tłumienie drgań i adaptację do warunków zewnętrznych.

Przegub zasadą działania przypomina ludzkie stawy i taką też ma pełnić funkcję. Ma sprawić, by robot poruszał się w sposób płynny i harmonijny. Jest montowany w miejscach połączeń poszczególnych elementów robota.

To bardzo istotne: jedna, wewnętrzna powierzchnia przegubu musi być dokładnie obrobiona, kulista. Wewnątrz umieszczony jest elastyczny mieszek, na którego ściankach, w odpowiednich wypustkach są zamontowane kulki (od kilkunastu do kilkudziesięciu). Kiedy mieszek elastyczny wypełnimy płynem lub żelem, a od góry włożymy nurnik, zwiększymy wewnątrz ciśnienie, wypustki z kulkami dopasują się do wewnętrznej powierzchni kulistej i dzięki temu przegub może zacząć pracę.

Poprzez zmianę ciśnienia użytkownik może sterować sztywnością przegubu, powodując w nim bezluzowość, delikatność ruchu, tłumienie drgań i adaptacyjność w stosunku do warunków otoczenia.

Możliwości zastosowania przegubu są bardzo szerokie. Jego przeznaczeniem jest nie tylko usprawnienie działania robotów, czy egzoszkieletów wspierających pracę człowieka. Jedną z możliwości zastosowania wynalazku mogą być także bioniczne endoprotezy, które można by wykorzystać przy operacji stawu kolanowego czy łokciowego.

- Taki przegub mógłby sprawdzić się także w zawieszeniu samochodu, czy np. w wózkach transportowych służących do przewożenia przedmiotów wrażliwych na drgania – podkreśla prof. Wojciech Kacalak. - Można by go wykorzystać również przy konstruowaniu minirobotów, które mają służyć do przenoszenia przedmiotów bardzo wrażliwych na dotyk.

Zdjęcie: Adam Paczkowski/Politechnika Koszalińska 

W skład zespołu wchodzą (od prawej): prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak, dr inż. Monika Szada-Borzyszkowska i dr hab. inż. Zbigniew Budniak, prof. PK.