Robotik Dış İskeletler Gerçek İnsanlara Gerçek Süper Güçler Sağlıyor
Robotik dış iskeletler, genellikle kemiklere benzer şekilde şekillendirilmiş ancak metallerden veya diğer sağlam malzemelerden oluşan dış takviyeleri ekleyerek normal insanlara olağanüstü yetenekler sağlar. Bu dış iskeletler bir kolun veya bacağın düzenli hareketlerini taklit eder, ancak çok daha fazla güç, hız ve hassasiyetle. Robotik dış iskeletlerle birçok süper güç mümkündür, o yüzden bunlardan birkaçına daha detaylı bakalım.
Süper güçlü
Süper güç belki de robotik bir dış iskeletin sağlayabileceği en bariz süper güçtür. Çelikle güçlendirilmiş kollar ve bacaklar sayesinde bir insan, kendi ağırlığının kat kat fazlasını kolayca ve verimli bir şekilde kaldırabilir. Ağır yükleri kolaylıkla kaldırabilme özelliği geniş bir uygulama alanına sahiptir. Süper gücün kullanılmasına değer olabilecek bir uygulama, çökmüş bir binanın altında mahsur kalan insanları kurtarmak için yapılan kurtarma operasyonunun bir parçası olabilir. Eğitimli bir insan operatör tarafından kontrol edilen robotik bir dış iskelet, ağır molozları tanıdık bir kazıcı çapa veya hafriyat makinesinden çok daha hassas bir şekilde hareket ettirebilir. Güç ve kontrol edilebilirliğin bu benzersiz kombinasyonu, robotik dış iskeleti geleneksel ağır ekipmanlardan çok daha etkili hale getirir. Bu uygulamalarda ham güç daha az bir gereklilik olduğundan doğal yetenek, benzer durumlarda deneyim ve hassasiyet daha önemlidir. Belki robotik dış iskelet operatörleri seçilirken dans etme yeteneği önemli bir gereklilik haline gelecektir.
Şekil 1: İnsan veya İnsanüstü Robotik Dış İskeletler bize seçim şansı verecek
Süper Dayanıklılık
Robotik dış iskeletlerin sağlayabileceği bir diğer süper güç, tekrarlanan işlemleri uzun süreler boyunca yorulmadan yapabilme yeteneğidir. Örneğin ağır taşınabilir aletlerin veya ekipmanların çalıştırılması, robotik dış iskelet yardımıyla çok daha uzun süreler boyunca yapılabilir. Bu, operatörlerin daha büyük ve daha ağır makineleri, güçlü bir robotik dış iskeletle güçlendirilmiş güçleriyle kullanmalarına olanak tanır ve makinelerin insan operatöre neredeyse ağırlıksız görünmesini sağlar. Bu daha büyük makineler, operatöre ağırlıksız göründükleri için daha uzun süre kullanılabilir ve operatörlerin kullanması gereken daha küçük, artırılmamış taşınabilir makinelerin yerini alabilir. Örneğin, taşınabilir bir öğütücü veya tampon yalnızca 4 inçlik bir yüzeyle sınırlı olabilirken, artırılmış bir operatör 10 inçlik bir yüzeyi kaplayan bir makineyi kullanabilir. Robotik dış iskelet, öğütücü üzerinde güçlendirilmemiş bir operatöre göre daha hassas kontrol sağlayabilirse, bu, operatörün çok daha fazla yüzeyi ve daha hassas bir şekilde kaplamasına olanak tanır.
Robotik dış iskeletler aynı zamanda insan operatöre tekrarlayan işlemleri kolaylıkla gerçekleştirme yeteneği de sağlayabilir. İnsan operatör, dış iskeleti, insan operatör bir görevle meşgulken robotik kontrolörün uygun teknikleri öğrenebileceği bir eğitim moduna geçirebilir. Yeterince programlandıktan sonra, insan operatör arkasına yaslanıp istisnai durumları izlerken, robotik kontrolör otomatik pilot modunda 'devri devralabilir'. İnsan operasyonu, istisnayı ele almak için eğitim modunda çalışacak ve robot, otomatik pilottayken uygulayabileceği yeni bir tekniğe sahip olacak. Belki de operatör, otomatik pilotta çalışabilen robotik asistanlardan oluşan bir ekibe sahip olacak ve operatör, zor kısımları halletmek için 'devreye girecek'. En verimli haliyle çoklu alım. Elbette bu önemli bir operatör becerisi ve deneyimi gerektirecektir, ancak bu kesinlikle bir olasılıktır ve birçok video oyunu tutkununun halihazırda bunun için eğitilmiş olabileceği bir olasılıktır.
Süper hız
Bir dış iskeleti kontrol etme yeteneğinin, hareketleri yalnızca insan operatörün yapabileceği hareketlerle sınırlaması gerekmez. Robotun kumandası aslında dış iskeleti insanoğlunun mümkün olabileceğinden daha yüksek hızlarda hareket ettirebiliyordu. Süper hız, çekiçleme veya kesme gibi tekrarlayan hareketlere uygulanabilir. Yürümek, koşmak veya tırmanmak gibi daha karmaşık hareketler önemli ölçüde beceri ve deneyim gerektirir. Yürürken veya koşarken yüksek hızda alışkın olduğumuz geri bildirim döngüsünü kapatmak, eğitimsiz operatörde baş dönmesine ve baş ağrısına neden olabilir, ancak yeterli eğitimle gerçek süper hıza ulaşılabilir. Belki birkaç yıl içinde robotik koşucuların yüksek engellerde yarıştığını, sağda ve solda rekorlar kırdığını göreceğiz. Ancak engelli yarışta atlar için robotik yardım biraz daha ileride olabilir.
Malzemeler
Bu süper güçlerin yeni ve gösterişli alaşımlara veya egzotik malzemelere ihtiyacı yok. Elbette daha güçlü ve daha hafif malzemeler her zaman geliştirilmekte ve yeni uygulamalar bulacaktır, ancak süper yetenek vaadinin çoğu, mevcut uygulamalarda bulunan standart malzemeler kullanılarak elde edilebilir. Okyanus gemilerini kaldırmayacaksınız, ancak birçok endüstriyel uygulamada kullanılan yaygın paslanmaz çelik alaşımlarını kullanarak arabaları kaldırabileceksiniz (bunu bir araba krikosu bile yapabilir), değil mi? Gerçekten daha az ağırlıklı bir uygulamaya ihtiyacınız varsa, yerel bisiklet mağazanızdan başka bir yere bakmayın. Hafif bisiklet kadrolarında karbon (Yüksek Çekme) çeliği, kromol (krom molibden çeliği), alüminyum, titanyum ve karbon fiber kullanılır.
Çelik muhtemelen ham gücün en önemli olduğu çoğu dış iskelet için tercih edilen malzemedir. Ayrıca uzun ömürlü ve oldukça sağlamdır. Chromoly'nin hem iyi bir gücü hem de iyi esneme özellikleri vardır. Bir dış iskeletin daha az ham güce ihtiyacı varsa ancak daha fazla esneklik ve yanıt verme yeteneği gerekiyorsa, gidilecek yol kromoli olabilir. Birçok robotik dış iskelet birden fazla malzeme kullanacak. Örneğin bacaklar ve ilgili destek elemanları daha güçlü ve daha ağır malzemeler kullanırken, kollar daha hafif malzemeler kullanabilir.
Robotik Dış İskeletin Kontrolü
Robotik bir dış iskeletin kontrol sisteminin, insan operatörden öğrenilmesi isteniyorsa oldukça ağır işlemlere ihtiyacı olacaktır. Uygulamaya bağlı olarak, gerçek zamanlı olarak (veya gerçek zamandan daha hızlı süper hızda) otonom hareket oluşturmak için gereken işlem gücü önemli olabilir. Robotik dış iskeletin bütünlüğünün yanı sıra denge, yakınlık, çevre koşulları hakkında rehberlik sağlayan sensörlerden gelen gerçek zamanlı verilerin, en verimli ve en güvenli otonom operasyonları belirlemek için komut kontrolörü tarafından işlenmesi gerekir . Öğrenme modları devreye girerse, mevcut göreve ve koşullara dayalı olarak geniş bir dizi olası işlemi sıralayan algoritmaların, tercihen sağlam flash bellek kullanılarak yerel olarak depolanan çok büyük miktarda veriye erişmesi gerekecektir ; çünkü sabit disk sürücüleri, öğrenme için bir seçenek olmayabilir. Aşırı miktarda titreşime maruz kalan zorlu ortamlarda çalışan robotik dış iskeletler .
Kolları ve bacakları hareket ettirmek için kullanılan motorların kontrolü de önemli miktarda işlem gücü gerektirir. Uygun işlemciler arasında Analog Cihazlardan ADSP -CM40 Karışık Sinyal Kontrolörleri Ailesi yer alır . CM40, robotik dış iskelet kontrolü için kullanılan karmaşık sinyal işleme algoritmaları için kapsamlı desteğe sahip 240MHz ARM Cortex-M4 işlemcidir. Modern motor kontrol yazılımı, verimliliği artırmak, aşınmayı azaltmak, titreşimi sınırlamak ve çalışma ömrünü uzatmak için tasarlanmış gelişmiş algoritmalar kullanabilir. Ek olarak, motorların yanmasını önleyecek arıza güvenliği algoritmaları da kritik öneme sahip olacaktır. Aslında, insan operatörü kendisinden korumak, robotik bir dış iskeleti başarılı bir şekilde kontrol etmenin en önemli yönü olabilir. Operatörün dengesini bozabilecek, bir destek elemanını aşırı zorlayabilecek veya bir aktüatöre zarar verebilecek bir hareketin sonuçlarını tahmin etmek, yüksek derecede hareket veya harekete sahip herhangi bir robotik dış iskelet için 'olmazsa olmaz' olacaktır.
Aralarından seçim yapabileceğiniz çeşitli motor kontrol algoritmaları mevcuttur ve her birinin önemli avantajları ve dezavantajları vardır. Ham gücün kritik olduğu uygulamalarda yüksek tork, verimlilikten daha önemli olabilir. Belki de denenmiş ve gerçek bir fırçasız DC motor burada iyi bir seçimdir. Hassasiyet ve hız daha önemliyse step motor daha uygun olabilir. Sistem kontrol mikrokontrolcüsü için motor kontrol geliştirme kitlerinin, kitaplıklarının ve konfigürasyon sihirbazlarının bulunması, kontrol tasarımının bu bölümünü çok verimli hale getirebilir. Robotik uygulamalar için motor kontrolüne ilişkin mükemmel bir makaleyi Mouser Electronics'in barındırdığı bu makalede bulabilirsiniz: Robotik için Motor Seçiminde Dikkat Edilmesi Gerekenler .
Bağlantı
Bu mühendislik harikasını yaratmak için gereken tüm aktüatörlerin, kontrolörlerin ve sensörlerin nasıl iletişim kuracağını merak ediyor olabilirsiniz. Robotik bir dış iskeletin çalışacağı ortam, hangi bağlantıların en etkili olduğu konusunda bazı ipuçları sağlayabilir. Örneğin gürültülü veya düşmanca bir ortamda kablosuz bağlantı iyi bir seçim olmayabilir. Gürültü iletişimi önemli ölçüde yavaşlatabilir ve hatta hatalara neden olabilir. Kablolu bağlantıları kullanan robotik dış iskelet muhtemelen en sağlam olanıdır. Dış iskeletin önemli ölçüde kir, toz, yağmur ve çamurun yanı sıra önemli düzeyde titreşim ve strese maruz kalması durumunda bağlantıların mümkün olduğu kadar sağlam olması gerekir. Gürültülü ortamlarda, yüksek hızlı ve sağlam veri iletişimi için fiber optik bağlantılar bile mümkün olabilir. Güç bağlantılarının geleneksel kablolu teknolojiyi kullanması gerekir ancak sağlam bağlantıların, korumalı kablolama başlıklarının ve muhafazanın kullanımından faydalanılabilir. USB ve Ethernet gibi geleneksel arayüzlerin yanı sıra fiber optik ve güç konnektörlerine yönelik geniş bir konnektör yelpazesi Molex tarafından sağlanır ve Mouser.com'da bulunur .
Şekil 2: Robotik Dış İskeletler yalnızca Uzay Gemilerini Yüklemek veya Uzaylılarla Savaşmak İçin Değildir; Kurtarma Operasyonlarına Yardımcı Olmak Sadece Bir Pratik Uygulamadır
Robotik Dış İskelet Uygulamaları
Süper güç, süper dayanıklılık ve/veya süper hız sağlayan robotik dış iskeletler, bir uzay gemisine yük yüklemek veya asit tüküren uzaylılarla savaşmaktan çok daha fazla görev için kullanılacak. Kurtarma operasyonlarında daha önce bahsedilen kullanım, hayat kurtaran uygulamalardan sadece bir tanesidir. Dış iskeletin aynı zamanda çevre koruması da sağlayabileceği yangınla mücadele, su baskını veya kimyasal madde sızıntısı gibi diğer acil müdahale durumlarının olasılıklarını düşünün. Yangınları hızlı ve verimli bir şekilde söndürmek için ağır yangın söndürme ekipmanlarının taşınması, hem afetzedeler hem de müdahale ekipleri için kesinlikle hayat kurtarıcı bir uygulamadır. Bir sel sırasında, robotlarla güçlendirilmiş müdahale ekipleri hızla bariyerler inşa edebilir ve mahsur kalan sel mağdurlarını kurtarabilir. Zehirli ortamlara kimyasal maddeler veya radyasyonla müdahale etmek de mümkündür, ancak bu yalnızca dış iskeletin operatörü ve elektronik aksamı yeterince koruyabilmesi durumunda mümkündür. Bu toksik ortam uygulamaları, bir insan operatör yerine uzaktan çalıştırılan bir robotla en iyi şekilde ele alınabilir. Süper bir insanın bile sınırları vardır.
Robotik dış iskeletler, kendi başına hareket edemeyecek kadar felçli veya yaralı olanlara hareket sağlamak için de kullanılabilir. Akıllı kontrol, operatörden bile öğrenebilir ve bir dizi otonom aktivite sağlayabilir. Yürüme, koşma veya tırmanma, bireysel 'düşük seviyeli' hareketleri kontrol etmeye gerek kalmadan yarı otonom olarak gerçekleştirilebilir. Araştırma aynı zamanda beyin dalgası aktivitesinin ölçümleriyle kontrol edilen hareket olasılığını da ortaya çıkarıyor. Bu yaklaşım, derin öğrenme algoritmaları ve otonom kontrolle birleştirildiğinde önemli düzeyde operatör kontrolüne olanak sağlayabilir. Operatörlerin düşüncelerini okuyabilen sistemler henüz oluşturamasak da araştırmalar devam ediyor ve belki de bu o kadar da uzak değil. Bu düzeydeki özerkliği yeniden sağlamak, robotik dış iskeletler için hayat kurtaran bir başka uygulamadır.
Çözüm
Süper güçler günümüzde robotik dış iskeletlerin kullanımıyla elde edilebilmektedir. Yeni bir özerklik düzeyi sağlayabilen akıllı kontrol sistemleri, bu güçlere önemli bir destek sağlayarak sıradan insanların bile süper gücü, süper dayanıklılığı ve süper hızı kontrol etmesini mümkün kılacak. Robotik olarak geliştirilmiş insanlar, gerçek dünyada kahramanca işler gerçekleştirerek afet bölgelerinde hayat kurtarabilecekler. Hatta bu kahramanlardan bazıları, tehlikeli durumlarda hayat kurtarmaya devam etmek için yenilenmiş ve geliştirilmiş yeteneklere sahip, daha önce kurtarma operasyonunda yaralanmış olanlar bile olabilir.