De la Homo Sapiens la Robot Sapiens (I)

Dacă în epoca modernă conceptul de robot a fost formulat de Karel Capek în 1921, în piesa R.U.R. Rossum-s Universal  Robots, unde se vorbea despre un om de tinichea, capabil să execute muncile de rutină necreative, numai peste 70 de ani au fost realizați primii roboți antropomorfi, aproape de adevăratul sens al cuvântului, în concordanță cu stadiul tehnicii și tehnologiei de la sfârșitul secolului XX.

 

1. Roboții antropomorfi

După 1990 au demarat primele preocupări semnificative privind realizarea roboților antropomorfi - uneori numiți umanoizi. Comparativ cu lucrările din secolul al XVIII-lea, când s-au realizat o serie de automate mecanice performante, condițiile erau cu totul altele. Structura anatomică umană ajunsese foarte bine cunoscută, posibilitățile tehnologice și cunoștințele privind materialele erau incomparabil mai avansate, fuseseră realizate traductoare și senzori (unii similari cu cei umani) foarte performanți, sisteme de acționare, în special electrice, corespunzătoare unor exigențe foarte înalte și, nu în ultimul rând, existau echipamente de procesare a informației (microprocesoare și unități de calcul) foarte puternice (în multe privințe, comparabile cu creierul uman). Toate aceste elemente, care au evoluat aproape exponențial în ultimii 30 de ani și au atins în prezent niveluri de excepție, au permis și permit abordarea cu toată încrederea a dificilei probleme de realizare a robotului antropomorf.

În ceea ce privește extrapolarea particularităților organismului uman, cel puțin până în prezent numărul acestora este relativ redus, limitându-se la: structura osoasă simplificată prin reducerea la minim a mobilităților membrelor superioare și inferioare, vederea binoculară, recepția și sinteza unui vocabular limitat dar care se dezvoltă accelerat, o anumită inteligență artificială și aceasta cu mari posibilități de avansare, însă toate realizate, deocamdată, pe principii fizice oarecum diferite față de cele care stau la baza celor naturale.

 - Fig. 1. Exemplu de mână mecanică pentru roboții antropomorfi

 

a. Particularități structurale și funcționale

Cracteristicile structurale principale ale generației anilor 2000 - în cea mai mare parte valabile și pentru cei din prezent - de roboți antropomorfi sunt:

▪ sprijin biped (fiecare picior având câte o articulație la nivelul gleznei, al genunchiului și o articulație de rotație sau sferică bimobilă (mai rar) la nivelul șoldului);

▪ două membre superioare cu o articulație sferică bimobilă la nivelul încheieturii mâinii, o articulație de rotație la nivelul cotului și o articulație sferică bimobilă sau sferică trimobilă la nivelul umărului;

▪ câte o palmă la fiecare membru superior, cu 2, 3, 4, 5 sau chiar 6 degete articulate cu câte două sau trei falange polimobile;

▪ doi ochi realizați cu ajutorul a două camere de luat vederi;

▪ receptori și sintetizatori de sunete;

▪ echipamente cu traductoare pentru măsurarea parametrilor interni, senzori de proximitate pentru evitarea obstacolelor și de contact și alunecare pentru prehensiunea în siguranță a obiectelor;

▪ sisteme de comandă și procesare a informației, folosind hard-uri cu putere mare de calcul și soft-uri specifice;

▪ surse de energie proprii.

Din punct de vedere funcțional, se pot enumera următoarele particularități:

▪ deplasarea bipedă lentă și, eventual, cu viteză medie, cu urcarea și coborârea scărilor;

▪ mobilitatea membrelor superioare cu posibilitatea prehensării unor obiecte de forme variate;

▪ posibilitatea recepționării și interpretării imaginilor și a sunetelor (unui set de cuvinte de comandă);

▪ posibilitatea unei sinteze vocale pentru o exprimare relativ fluentă.

La un robot antropomorf-umanoid, într-o abordare generică,  se pot identifica mai multe module structural-funcționale, și anume: modulul de deplasare (modulul membrelor inferioare), modulul trunchiului (zona care conține majoritatea echipamentelor de alimentare, procesare a informației și de comandă), modulul membrelor superioare și modulul capului. Unele dintre aceste module au fost abordate individual și au fost perfecționate cu scopul ca ulterior să fie încadrate într-un robot umanoid integral.

Mai departe, se vor prezenta succint aceste module, cu evidențierea particularităților lor principale.

 - Fig. 2. Capul robotului Kismet, pentru două expresii ale feței

 

a.1. Modulul de deplasare

Robotului antropomorf îi corespunde, evident, deplasarea bipedă. Aceasta însă este dificil de realizat tehnic și chiar nivelul atins în prezent comportă multiple îmbunătățiri. Dificultățile întâmpinate în realizarea deplasării bipede au condus, într-o primă etapă, la soluția folosirii unui sistem de roți, iar ulterior la încercări de realizare a pășirii prin structuri mecanice neantropomorfe. Asupra soluției care folosește roți nu se insistă, aceasta nefiind mult diferită de cea întâlnită la o platformă autonomă pe roți, tip robocar, cu particularitatea unui gabarit adaptat la restul corpului robotului. Structurile parțial antropomorfe cu astfel de sisteme de deplasare sunt specifice roboților cvasiantropomorfi, datorită performanțelor celorlalte module, neafectării importante a relației om - robot, ca și posibilității trecerii, relativ ușor, la deplasarea bipedă, prin folosirea unui modul biped adecvat. O primă problemă de care depind performanțele de deplasare bipedă a roboților este realizarea echilibrului.

Echilibrul natural este asigurat de o structură din urechea internă, formată dintr-un labirint de canale umplute cu lichid, la niveluri și unghiuri diferite. Implicate direct în realizarea echilibrului sunt utricula, sacula și canalele semicirculare. Primele două detectează poziția capului. În funcție de aceasta se trimit mesaje la creier, care comandă mușchii astfel încât să se mențină echilibrul ortostatic. Echilibrul dinamic (în mers sau alergare) este asigurat de deplasarea lichidului în cele trei canale semicirculare. În funcție de deplasarea lichidului se generează semnale neuronale care se transmit la creier (la centrul de echilibru din cerebel), de unde, după prelucrare, se dau comenzile necesare ajustării poziției corpului, astfel încât să se asigure menținerea echilibrului. Mai trebuie menționat că menținerea echilibrului se învață.

Echilibrul artificial este o problemă dificilă deoarece, la un robot, nu există un control asupra întregii structuri și posibilitatea ca poziția acesteia să fie ajustată astfel încât echilibrul să fie asigurat. Modelul natural nu poate fi folosit deoarece realizarea unei structuri artificiale similare este aproape imposibilă. În această situație se pot folosi diferite metode mecanice.

O primă situație de asigurare a echilibrului este folosirea unui sistem de mase compensatoare.

În cazul în care, pe elementul corespunzător trunchiului, sunt plasate două mase suplimentare, echilibrul este obținut dacă verticala pe care se găsește centrul de greutate se menține în interiorul suprafeței de sprijin. O altă soluție pentru echilibrare este metoda pendulului invers. Evident că pentru rezolvarea problemei echilibrului, studiul mersului natural este foarte important pentru realizarea modulelor de deplasare bipedă.

 

a.2. Modulul trunchiului

Acest modul este folosit pentru amplasarea majorității echipamentelor de alimentare, prelucrare a informației și de comandă ale robotului, ca și a componentelor pentru asigurarea echilibrului. Modulul diferă în funcție de  construcția robotului, în primul rând de înălțimea lui; unele din particularități se vor putea observa prin analiza atentă a figurilor ce exemplifică roboții antropomorfi și roboții cvasiantropomorfi (se deplasează pe roți, dar au trunchiuri, cap și brațe ca roboții antropomorfi).

 - Fig. 3. Trei generații de cap pentru roboții antropomorfi-umanoizi

 

a.3. Modulul membrelor superioare

Acest modul este format din două membre, similare cu membrele superioare umane. În parte, aspectele cunoscute de la protezele pentru membrele superioare, dar și cele de la orteze, dar mai ales de la teletezele pentru membrele superioare se pot extrapola la roboții antropomorfi. Se specifică faptul că la nivelul umărului este necesară cel puțin o articulație monomobilă de rotație, este de preferat o articulație bimobilă sferică, la nivelul cotului este necesară o articulație monomobilă de rotație, la nivelul încheieturii mâinii sunt necesare două mișcări de rotație, iar prehensorul poate avea de la 2 la 5 (sau chiar 6 ) degete cu una, două sau trei falange, de regulă multimobile. Un exemplu de prehensor antropomorf utilizabil la roboții umanoizi este dat în Fig. 1.

 

a.4. Modulul capului

Modelarea capului uman a fost și încă a rămas o problemă controversată. Evident că pentru simplificarea relației om-robot și acceptarea mai ușoară a robotului ca partener, înfățișarea umanoidă este esențială; de aceea, se pare că s-a adoptat definitiv soluția cu dotarea roboților antropomorfi cu un cap cât mai asemănător cu cel uman. Pe lângă rolul estetic, capul își justifică utilitatea prin amplasarea senzorilor similari cu cei umani: senzori de vedere și pentru auz, ca și prin existența unui sintetizator vocal, corespunzător parțial buzelor. Tendința este ca să se obțină o față cât mai apropiată de cea umană, inclusiv din punct de vedere al expresivității.

Pentru identificarea celor mai bune soluții în vederea atingerii  obiectivelor amintite, s-au făcut sau sunt în curs de desfășurare multiple cercetări, dintre care unele deosebit de complexe.

Pentru obținerea unor expresii faciale cât mai variate, se folosesc structuri și dispozitive complicate, precum cele amplasate în trunchi. De asemenea, complexitatea deosebită a componentelor necesare pentru obținerea unei expresivități variate a feței, inclusiv obținerea mobilității urechilor (pentru orientarea către zona generatoare a sunetului) rezultă din Fig. 2, în care este reprezentat capul robotului Kismet, în două ipostaze.

Se precizează că ochii sunt realizați printr-un set de două camere de luat vederi, de mare performanță, sau prin sisteme de camere de luat vederi, în cazuri mai sofisticate, care au una sau mai multe mobilități similare cu cele ale globilor oculari umani. O evoluție sugestivă a capului roboților rezultă din Fig. 3.

Prof. univ. dr. habil. ing. Eur Ing Ionel Starețu,

Membru corespondent al ASTR,

Președinte Sucursala AGIR Brașov,

Președinte Filiala SRR Brașov

Bibliografie: Baza acestui articol este cartea Elemente de robotică medicală și protezare (cap. 5), publicată de autor în anul 2004 la Editura Lux Libris din Brașov, la care s-au adăugat realizări recente de pe Internet. 

(Va urma)