إنَّ أكثر ما يُميز الحيوانات رباعية الأرجل، هو قابلية الحركة على كل من الأراضي المستوية أو غير الممهدة على حد سواء. لذلك، فإن تصميم روبوتات شبيهة بالحيوانات قد تكون خطوة هامة للعديد من التطبيقات، التي ربما ستحتاج تواجدها في بيئات متنوعة التضاريس.
في العقود الأخيرة، تم صناعة نماذج عديدة من الروبوتات رباعية الأرجل. وظهرت أجيال مختلفة لروبوتات تضاهي حركة الكلب وغيره. في ذات السياق إذا أردنا أن نتحدث عن السرعة، فإنَّ بحث وفهم وتصميم ميكانيكا حركة الفهد سيكون مفيدًا جدًا بالنسبة لنا؛ التحدي الأكبر هنا هو تصميم روبوت رباعي الأرجل قادر على الحركة المنتظمة والسريعة والمستقرة في نفس الوقت.
مؤخرًا، تخطى الباحثون في معهد إم آي تي MIT الشهير كل هذه التحديات. فقاموا بتطوير نسخة جديدة من روبوت فهد قادر تخطي حاجز بارتفاع 40 سنتيمتر، ومحافظًا على سرعة 8 كيلومتر في الساعة.
تقوم تقنية التحكم في حركة الروبوت رباعي الأرجل في أبسط صورة -إذا أردنا منه الحركة بانتظام وفقط- على تخزين بعض الصيغ والعوامل المتحكمة في سرعة الموتورات المحركة للأرجل، في شكل مصفوفات ومتجهات داخل وحدة تحكم خاصة. يتم استخدام وحدة Central Pattern Generator (CPG) لرسم وتصميم وحساب حركة كل مفصل (موتور) بالنسبة للآخرين، لتتكون حركة الفهد النهائية.
على سبيل المثال، لتصميم مشية روبوت صغير يسمى Cheetahcub. تم عمل بعض التجارب يدويًا وتجميع 110 معامل تحكم وسرعة حركة، في سبيل الحفاظ على حركة الروبوت دون أن يسقط على أرضية مستوية.
يتم الاستعانة بهذه المعاملات والبيانات لتكوين قاعدة بيانات تدخل في معادلات حركة يقوم الـ CPG بمعالجتها، وتوجيه الأمر المناسب للمفصل المناسب (بأن يتحرك موتور الركبة knee أو الحوض hip بزاوية وسرعة معينة). تأخذ كل حركة موجودة في النظام ككل شكلًا محددًا profile، تخبر المحرك بما يجب أن يقوم مع كل وضعية (سكون – حركة – قفز – نزول).
روبوت MIT:
لتخطي الحواجز لن تكون برمجة معادلات الحركة الثابتة ذات جدوى وخاصة إذا تواجدت الحواجز بطريقة عشوائية وبأشكال وأحجام مختلفة، هنا يجب أن يتمتع الروبوت بنوع جديد من الذكاء الذي سيجعله يتخذ عدة قرارات متتالية سريعة حتى لا يتعرقل أثناء حركته.
يتكون نظام التحكم في روبوت MIT من جزئين:
جزء خاص باستشعار وتحديد الحواجز. وهو عبارة عن وحدة مسح باستخدام الليزر تسمى ليدار LIDAR تعمل بتردد 40 هيرتز، حيث ترسل البيانات المكتشفة بشكل دوري للجزء الثاني من نظام التحكم.
الجزء الثاني عبارة عن مرحلتين هما: وحدة تحكم عليا (High-Level Controlle– Intel Core i5 4520U) تستقبل البيانات المرسلة من الـ LIDAR وتقوم برسم خطة الحركة والقفز كما سنعرف، وهناك وحدة تحكم سفلى (Low-Level Controller – Intel Core2Duo 2.16 GHz).
يقوم حساس LIDAR باستكشاف محيط الروبوت باستمرار، بزوايا تتراوح بين 45 درجة أعلى خط الأفق إلى 90 درجة أسفل الخط الرأسي بدقة 0.25 درجة، ثم ترسل البيانات لوحدة التحكم العليا. تقوم وحدة التحكم العليا بحساب موضع القفز المثالي أمام الحاجز، ثم تقوم بتسريع أو إبطاء الروبوت للوصول لهذه النقطة.
في هذه الأثناء يكون الروبوت مستعدا لتخطي الحاجز بعد أن حدد موقعه وارتفاعه. فتكون الخطوة التالية هي بحث آلية القفز أو رسم دالة القفز المثالية، بحيث لا تكون القفزة منخفضة جدًا فتصطدم الأرجل بالحاجز ولا تكون مرتفعة جدًا دون الحاجة لذلك.
عندما يقفز الروبوت رباعي الأرجل، فإنَّ رجليه الأماميتين تكونان متوازيتين وكذلك الخلفيتين. وبالتالي يمكن تمثيل الروبوت ككل وكأنَّه جسم ثنائي الأرجل. ستكون وحدة التحكم بحاجة إلى هذا النموذج، لحساب العزم المطبق (أو القوة) على كل مفصل وعلى سطح الأرض لقفز الجسم، ثم اتخاذ وضع الهبوط الذي سيحافظ على توازن النظام فلا يسقط الروبوت.
تم اختبار روبوت MIT على مشاية رياضية ليتحرك بسرعة ثابتة مقدارها 2.4 متر/ث قبل أن يختبر خطوات كشف الحواجز والقفز.
أثناء الحركة الطبيعية كان الروبوت متصلًا لاسلكيًا بجهاز كمبيوتر للتحكم في السرعة والاتجاهات. واستطاع تخطي الحواجز على ارتفاع 34 و40 سنتيمتر تلقائيًا، دون الحاجة لتعديل العوامل المبرمجة به مسبقًا.
—
إعداد: إسلام درويش
مراجعة: مالك المغربي
مراجعة لغوية: ريما رباح
تصميم: مالك المغربي
