3. fejezet - Eto-informatika

Tartalom
3.1. Szociális robotok térhódítása
3.2. Etológiai kutatások és eredmények
3.2.1. A kötődés fogalma
3.2.1.1. A kötődés leírásának történeti alapjai
3.2.2. A kötődés kimutatása – az Idegen Helyzet Teszt
3.2.3. Kutya – ideális alany a kötődés vizsgálatára
3.2.3.1. Idegen Helyzet Teszt kutyákkal
3.2.4. A kötődési viselkedés modellezendő elemei
3.3. iSPACE
3.3.1. Viselkedés
3.3.2. A robot meghajtása
3.4. A MogiRobi műszaki megtervezése
3.4.1. A robot alapja
3.4.2. Test
3.4.3. Fej
3.4.4. A farok
3.4.5. Vezérlés és teljesítményelektronika

Napjainkban számos tárgyunkat informatikai eszközünket illetjük az intelligens vagy okos jelzővel. Okos telefon, intelligens épület, stb. De mit jelent az informatikai eszközök intelligenciája? Természetesen nem lehet emberi intelligenciáról beszélni. Az intelligens informatikai eszközök külső megjelenése sem emberi, de tudásban sem mérhetők az emberhez. Sokkal inkább tekinthetők egy alacsonyabb intelligenciájú, az embertől különböző külsejű másik fajnak. Ez a leírás illik az állatokra is.

Az Eto-Informatika célja, hogy az ember és az informatikai eszközök kapcsolatát egy új, etológiai indíttatású alapra helyezze. Mivel az informatikai eszközök egy alárendelt szerepet kell játszaniuk a felhasználóval szemben és morfológiailag is különböznek az embertől, úgy gondoljuk, hogy az ember és informatikai eszközök kapcsolatában, illetve kommunikációjában etológiai (ember-állat) megközelítés sikeresen adaptálható. E projektben az ember és informatikai eszközök kapcsolatának mintájául elsősorban a 20 ezer éves tapasztalatok alapján kialakult ember-kutya szociális kapcsolatának etológiai modellje szolgál.

Példaként vegyünk egy olyan funkciót, mint az üdvözlés. A felhasználó hangulatát ez sokban javíthatja. Meg kell ismernünk, hogy a különböző állatok milyen üdvözlésormát használnak és azok közül melyik ültethető át informatikai eszközre.

3.1. Szociális robotok térhódítása

Az elmúlt évtizedekben a kutatások abba az irányba haladtak, hogy embereknek fejlesszen ki olyan robotokat, amelyek a napi életvitelt könnyítik meg. A robotok, ilyen ember közeli alkalmazása teljesen új problémákat és nehézségek megoldását igényli az ipari robotokkal szemben. Az ipari robotok egy könnyen definiálható környezetben dolgoznak (gyár) magas hatékonyság mellett, mivel a beléjük táplált program elegendő a munka megfelelő elvégzésére. Természetesen ilyen esetben, az ember és gép közötti kommunikációra elegendő a program futása során érkező jelre a program hierarchiája szerint generálni a válasz jelet. Tehát csakis parancs szerű kommunikálás van. Ezzel ellentétben az emberi robotoknak már teljesíteniük kell az emberek által támasztott szociális követelményeket, úgy mint érzelem kifejezés, kognitív gondolkodás. Tehát ezen szociális robotoknak emberekkel, emberek által megértett és értelmezhető kommunikációt, érzelem kifejezést és interekciót kell folytatni. A szociális robotok kutatása és fejlesztése kiterjed a művészetektől, a mérnökökön és az orvostudományon keresztül egyéb tudomány területekig. Ezért az emberi robotk érzelem kifejezés lehetőségét szeretném megvalósítani.

Szociális robotok érzelmi modellt használnak, amely rendelkezik egy általános szerkezete érzelmeket kezelő szerkezettel . A robotok el vannak látva érzékelőkkel (vizuális, audio-, mechanikai érzékelők) amelyek detektálják környezet eseményeit. Azonosított események során az érzelmi információk átadása az érzelmi motornak. Az érzelmi motor értelmezi a információt. Kiszámítja a hatását, az eseménynek az érzelmi modellen. Végül, az érzelmi modell a motor által értelmezett majd a motor által választ generáló kimenetet a .kimeneti perifériákon kifejezi.

3.2. Etológiai kutatások és eredmények

Etológiai és pszichológiai kutatások eredményei (pl.: Topál és munkatársai 1998, Ainsworth 1969, Bowlby 1969) alapján feltételezhető, hogy a kutya és gazdája, valamint a csecsemő és anyja közti aszimmetrikus szociális kapcsolat – a kötődés – hátterében lényegileg ugyanaz a mechanizmus áll.

A kezdetben vadon élő, az emberre semmilyen preferenciát nem mutató farkasok közül azok az egyedek, amelyek – máig tudományos vita tárgyát képező okból - az ember közelségét keresték, a táplálék relatív bősége miatt evolúciós előnyre tettek szert vad, falkában élő társaikhoz képest. A túlélésük szempontjából előnyösebb környezethez való alkalmazkodás, és az ember külső szelekciós hatása – a tenyésztés és a kevésbé együttműködő állatok megölése – így vezethetett el egy új faj, a házi kutya (Canis familiaris) megjelenéséhez. Később a kutyákat az ember, mint természetes környezetük meghatározó eleme evolúciósan együttműködésre szelektálta, így alakulhatott ki az állatvilágban egyedülálló, fajok közti viselkedés, a kutya-ember kötődés.

Jelenlegi ismereteink bemutatása a kötődésről, amely a későbbiekben segíti majd az ember számára érzelmileg jobban elfogadható intelligens, autonóm gépek megalkotását (Zanaty és mtsi 2008).

3.2.1. A kötődés fogalma

„A legáltalánosabb megfogalmazás szerint a kötődés egy egyed tartós vonzódása valamely inger-együtteshez.” A dolgozatban használt megközelítésben a kötődés alatt a gazda és a kutya közötti egyedi felismerésen alapuló szociális vonzódást értünk (Gácsi 2003), amely viszonyban a kutya kötődésének a tapasztalható viselkedés szintjén megjelenő formáját kíséreljük meg reprodukálni. Célunk olyan autonóm mechanizmus létrehozása, mely a kötődés viselkedésformáit legalább megközelítőleg létrehozza, így az általa adott eredmények és a valós kutyákból álló kontroll minta által adott referencia közti minőségi eltérésből következtethetünk a koncepció helyességére.

3.2.1.1. A kötődés leírásának történeti alapjai

A kötődés tudományos megismerésének gyökerei Konrad Lorenz-ig, az etológia atyjáig nyúlnak vissza, aki lúdfiókákon figyelte meg, hogy azt tekintik szülőjüknek, akit a kikelés pillanatában először megpillantanak – imprinting - (Lorenz 1935), így az egyedfejlődés kezdeti szakaszában őt tekintik biztonságos menedéknek és a későbbiekben is preferenciát mutatnak rá. Ez veleszületett adottságuk, amely segíti a túlélésüket. Számos más faj esetében is megfigyeltek és dokumentáltak a szülő-utód kapcsolatában megjelenő különleges viszonyt. A kötődés általánosabb leírása azonban akkor került először a figyelem középpontjába, amikor a pszichoanalitika professzora J. Bowlby (1969) megalkotta etológiai ihletésű elméletét a csecsemők anyjukhoz való kötődéséről. Az alkalmazott pszichológia területén már régóta vizsgált szülő-gyermek viszony és az állatok viselkedésében megjelenő analógiákat fölismerve publikált egy evolúciós szemléletű tanulmányt az anya-gyermek kötődésről.

Ebben a következő, jól elkülöníthető viselkedéselemeket nevezi meg, mint a kötődési viselkedés megjelenési formáit:

  • Közelség keresés – A gyermek keresi az anyja közelségét, megközelíti, követi, a vele való kontaktus megnyugtatja, az anyjától elválasztva azonban tiltakozik, averzív viselkedést mutat – sír – (3 szeparációs fázis), növekszik a stressz szintje.

  • „Safe Haven” – A baba stresszhelyzetben az anyjához fordul vigaszért, és támogatásért, ha ezt nem tudja megtenni, akkor elbizonytalanodik, félni kezd.

  • „Secure Base” - A játék és exploráció során az anya szolgál biztonságos menedékként az utód számára, így fenyegetés esetén hozzá menekül a fenyegetőtől való lehető leggyorsabb eltávolodás helyett.

  • Szeparációs Stressz – Az utódot az anyjától elválasztva a gyermek szeparációs stresszt mutat, fél, sír, zavart lesz, újra találkozáskor üdvözli az anyját, hozzábújik, majd rövid időn belül megnyugszik.

A fenti viselkedéselemek a kutya-gazda kötődés esetében is megjelennek, ennek kísérleti bizonyítását a következő pontban tárgyaljuk.

3.2.2. A kötődés kimutatása – az Idegen Helyzet Teszt

Bowlby cikkével szinte azonos időben jelent meg a a szintén pszichológus M. D. S. Ainsworth (1969) tanulmánya melyben ismerteti módszerét, az Idegen Helyzet Tesztet (IHT). A teszt segítségével kimutatható csecsemő korú gyermekek kötődése anyjukhoz.

A hét, egyenként 3 perces jelenet során egy barátságos idegen megjelenése, majd az anyától való két rövid szeparáció mérsékelt stresszt jelent a 12-18 hónapos csecsemő számára. A teszt segítségével eredetileg a babák ismeretlen helyen mutatott kontaktuskereső és explorációs viselkedésének egyensúlyát kívánták vizsgálni különböző helyzetekben (Ainsworth és Wittig 1969). Az anyától (illetve apától) való többszöri szeparációt és újra találkozást tartalmazó teszt ideálisnak tűnt a kötődési viselkedés aktiválására. A teszthelyzet alkalmas módszernek bizonyult a még nem eléggé önálló újszülött fő veszélyforrásokkal való szembesülésének modellezésére, az anyától való szeparáció következtében egyedül vagy egy idegen fajtárs jelenlétében mutatott viselkedés megfigyelésére. Egy későbbi munkájában a teszt újratalálkozás részében rejlő lehetőségeket fölismerve már négy csoportba tudja osztani a vizsgált csecsemőket viselkedésüktől függően (A-elkerülő, B-biztonságos, C-ambivalens/rezisztens, D-dezorientált/abnormális), így a teszt kiértékelése emberek esetén cizellált vizsgálati eredménnyel kecsegtetett. (Ainsworth 1978)

3.2.3. Kutya – ideális alany a kötődés vizsgálatára

A fajon belüli szülő-utód kapcsolatban a környezeti hatások és tanult viselkedések vizsgálata mellett fölmerült az igény, hogy megvizsgálják, ember által gondozott állatok esetén képes-e a gondozott állatkölyök kötődésre az őt felnevelő ember gondozó felé (Bard, 1991). Így került sor szociális főemlősök – csimpánzok - fajon belüli és az emberrel kapcsolatos kötődési viselkedésének vizsgálatára. Korábbi főemlősökön végzett vizsgálatokkal pedig az ember szociális viselkedését evolúciós gyökerekre visszavezető kérdésekre próbáltak válaszolni (Harlow 1965). Ezen főemlős kísérletek mellett merült föl fejlett szociális viselkedése, és számos más előnyös tulajdonsága miatt a kutya vizsgálatának lehetősége (Igel és Calvin 1960).

A kutyákon a domesztikáció során az emberi környezetben történő szelekció eredményeként olyan változások mentek végbe, melyek új környezetükben a lehető legjobban segítették túlélésüket. Így alakult ki a kutyákra jellemző szelídség, az emberhez való szociális vonzódás és az embertől való függőség a felnőtt állatok esetében is – a neoténia.

„A domesztikáció folyamata tehát feltétlenül az emberre való kötődési képesség kifejlődése irányában kellett hogy hasson, ezzel megteremtve a konfliktusmentes együttélés lehetőségét (Millot 1994).”

3.2.3.1. Idegen Helyzet Teszt kutyákkal

Az IHT kutyákkal való elvégzése viszonylag új keletű, Topál és munkatársai (1998) vizsgálták először a kutya-gazda kötődést etológiai módszerrel. Az általunk kontrollcsoportnak tekintett mintán Gácsi Márta: A kutyák gazda iránt mutatott viselkedésének etológia vizsgálata (2003) című doktori értekezésének keretein belül végezte el az IHT kísérleteket, jelen dolgozat számos pontban épít munkájára, így az általa alkalmazott IHT protokollt fogjuk használni a modellnek megfelelő egyszerűsítésekkel.

1. epizód ( 0-2 perc)

A gazda a kísérleti helyiségben , 1 percig passzív, majd játékot kezdeményez. Ha a kutya nem akar játszani, akkor is megpróbál fizikai kontaktusba lépni vele (simogatni).

2. epizód ( 2-4 perc)

Az idegen belép az ajtón majd megáll. Később a megközelíti a kutyát, fizikai kontaktust kezdeményez vele. Ezután a szoba közepén fél percig passzív marad. Ezután 1 percben a kutyával próbál játszani. Megpróbálja a helyiség ajtótól távolabbi részébe csalogatni a kutyát és ott játszani vele. Ha a kutya nem akar játszani, akkor is megpróbál fizikai kontaktusba lépni vele (simogatni). A gazda az idegen jelenlétében passzív, majd amíg a kutya az idegennel játszik feltűnés nélkül kimegy.

3. epizód ( 4-6 perc)

Amikor a gazda kiment, az idegen megpróbálja folytatni a kutyával a játékot maximum még egy percig. Amennyiben már eddig sem játszott, ill., ha bármikor abbahagyja a kutya a játékot (az 1 percen belül), vagy ha letelt az 1 perc játékra szánt idő, akkor az idegen minden esetben fizikai kontaktust kezdeményez. Ez úgy történik, hogy aktívan keresve a kutya közelségét megpróbálja megsimogatni, és ezzel rávenni arra, hogy jöjjön vele a szoba közepéhez, ahol passzív marad. A kutyával végig fizikai kontaktust kezdeményez.

Amikor a (következő epizód elején) a gazda bejön, az idegen úgy távozik, hogy megvárja, míg az üdvözlés lezajlik, és a gazda eltávolodik az ajtótól.

4. epizód ( 6-8 perc)

A gazda belép az ajtón majd passzívan áll, 5 másodpercig vár a kutya reakciójára, majd üdvözli a kutyát fizikai kontaktust kezdeményez. Ezután 1 percig játszik vele. Ezután a szoba közepére megy és passzív lesz újabb egy percig. Utána feláll, és kimegy.

5. epizód ( 8-10 perc)

A kutya egyedül van a helyiségben.

6. epizód ( 10-12 perc)

Az idegen belép, majd megáll 5 másodpercig passzív. Ezután üdvözli a kutyát, és fizikai kontaktust kezdeményez. Utána az idegen a helyiség ajtótól távolabbi részében megpróbál a kutyával játékot kezdeményezni maximum 1 percig. Amennyiben a kutya nem hajlandó játszani, ill., ha bármikor abbahagyja a kutya a játékot (az 1 percen belül), vagy ha letelt az 1 perc játékra szánt idő , akkor fizikai kontaktust kezdeményez, aktívan keresve a kutya közelségét. Megpróbálja a kutyát a szoba közepére csalni majd ott passzív lesz. A kutyával fizikai kontaktust kezdeményez, ha az közel jön. Amikor a gazda bejön, az idegen távozik. (Megvárja, míg az üdvözlés lezajlik, és a gazda eltávolodik az ajtótól.)

7. epizód ( 12-14 perc)

A gazda bejön az ajtón. Megáll, 5 másodpercig passzív, majd üdvözli a kutyát fizikai kontaktust kezdeményez. Ezek után 1 percig játszik vele. Ezután a gazda a szoba közepén passzív marad.

3.2.4. A kötődési viselkedés modellezendő elemei

  • Közelségkeresés – „Proximity Maintenance”

A kutya saját belső állapotának (stressz szintjének) megfelelően választja meg, a gazdától való távolságát, a gazda közelsége megnyugtatja, magas stressz esetén a kutya-gazda távolság csökken, alacsony stressz szint esetén a kutya explorál, játszik, közben folyamatosan figyeli a gazda helyzetét

  • Mentsvár – „Secure Base”

Ha a kutya megijed, váratlan vagy félelmetes külső ingerforrással találkozik, a gazdához megy ahelyett, hogy a lehető legrövidebb idő alatt az ijesztő ingertől a legmesszebb próbálna kerülni.

  • Szeparációs stressz – „Separation Distress”

Ha a kutyát a gazdától elválasztják, akkor a belső stressz szintje nő, nyugtalan lesz, újra találkozáskor üdvözli a gazdát, akinek jelenlétében ismét megnyugszik, belső stressz szintje csökken.

  • Menedék – „Safe Haven”

A kutya stressz helyzetben, fájdalom esetén a gazdához fordul támogatásért, ha erre nincs lehetősége, belső stressz szintje nő, és zavarviselkedést mutat.

  • Szociális tanácsadó – „Social Reference”

A kutya ismeretlen ingeregyüttessel találkozva, amennyiben saját maga nem tudja eldönteni, hogy az adott ingerhez hogyan viszonyuljon, a gazda viselkedését figyeli és saját viselkedését ahhoz igazítja.

A továbbiakból gondolatok kivehetők, de a fogalmazás legyen egy kicsit más

Rohamosan fejlődő társadalmunk embere már nem kerülheti el, hogy mindennapi életviteléhez ne vegye igénybe a legújabb informatikai fejlesztések gyümölcseit. Az Európai Uniós irányelveknek megfelelően hazánkban is a "digitális írástudás” elterjesztése és fejlesztése egy kiemelt célterület. Mind kormányzati, mind politikai és ipari, valamint társadalmi "nyomás” nehezedik a ma emberére, hogy egyre több új informatikai rendszer használatát sajátítsa el. Gondoljunk csak az elektronikus ügyintézésre, adóbevallásra, számlázásra, banki átutalásokra, elektronikus vásárlásra, parkolásra, autópálya díj kiegyenlítésre, mobil fizetésre stb. Ezek a rendszerek már ma hazánkban is egyre elterjedtebbek, és még így is igen jelentős lemaradásban vagyunk pl. a Japánban ma mindennaposan elterjedt informatikai alkalmazások terén. A jelenlegi informatikai fejlesztéseknek köszönhetően jelentősen lerövidülnek a fent említett esetekben az ügyintézés költségei és az ezekre fordított idő, így ezen eljárások gazdasági hatása jelentős. A fejlett világban így az EU-ban is jelentős pénzeket fordítanak olyan informatikai fejlesztésekre, melyek könnyebbé, gyorsabbá teszik életünket. A nemzeti GDP egyre nagyobb hányadát fordítják az elektronikus kormányzati-hivatali rendszerek fejlesztésére, informatikai rendszerek biztonságának fejlesztésére stb. A ma emberét nemcsak hivatalos ügyeinek intézése közben szorítják rá egyre jobban az új informatikai termékek használatára, hanem a szórakoztató ipar részéről hatalmas a nyomás az új fejlesztések minél hamarabb történő piacra történő bevezetésében. A háztartásunkban egyre több termék digitális, internetre köthető, elektronikusan vezérelhető, adattároló, adattovábbító. Napjaink fiataljainak a mindennapi tevékenységeinek nagy része köthető a „digitális szociális viselkedéshez”: már szinte csak elektronikus levélben, vagy azonnali üzenettovábbítóval kommunikálnak, az SMS, MMS már mindennapos, szinte minden elektronikus használati tárgyuk alkalmas digitális adatrögzítésre és továbbításra. Az ipar fejlesztői jól látva ezeket a trendeket egyre nagyobb erőforrásokat fektetnek az új termékek személyre szabhatóságának fejlesztésébe, hogy termékeik ne csak használhatóak legyenek, hanem nélkülözhetetlen legyen felhasználója (gazdája) számára és akár kifejezze gazdája kulturális, társadalmi hovatartozását, mint például az új generációs mobiltelefonok esetén megfigyelhető. Mivel a mai mobiltelefonok már mindenki számára elérhetők, a tömeggyártás felgyorsulásával egyre olcsóbbak, ma már egyetlen mobiltelefon is igen jelentős számítási és adattárolási kapacitással bír, ami egyre bonyolultabb feladatok elvégzésére teszi alkalmassá. Így például egy mobiltelefon ma már szinte minden feladatot el tud végezni, amire a ma emberének szüksége van „digitális ügyei” intézéséhez. Az új informatikai lehetőségek alkalmazásához, kihasználásához elengedhetetlen, a "digitális írástudás" ennek első lépése, hogy az általunk használt informatikai eszközöket egyáltalán használni tudjuk. Minél bonyolultabb egy eszköz használata, annál kevésbé használható a mindennapokban, annál kevésbé vagyunk hajlandóak az eszköz funkcióinak megtanulására. A felhasználók jogos igénye, hogy az új informatikai eszközök- szoftverek használata ne nyűg legyen, és ha már ezeket az eszközökkel naponta sok időt töltünk "együtt", akkor ezek a saját ízlésünknek megfelelően személyre szabható „segítőtársak" legyenek.

A kutyák kötődési viselkedését vizsgálták etológiai kutatók az elmúlt 50 évben. Ma már a kötődési viselkedés objektíven mérhető az idegen helyzet teszt (IHT) segítségével. A kutyák viselkedésének számos IHT-vel való megfigyelése az alapvető bemenete egy elvont érzelmi fuzzy modellnek, az ún. eto-motornak. Ez az eto-motor vezérli magas szinten a MogiRobi-t.

3.3. iSPACE

A vezérlő algoritmus bemenő információit az iSPACE biztosítja. Az iSPACE (Intelligent Space)[2] egy intelligens környezet, mely információt és fizikai támogatást nyújt az emberek és robotok számára teljesítményük javítása érdekében. Ezt szenzorhálózaton és a nyers szenzor jelek megosztott feldolgozásán keresztül valósítja meg. A robottal végzett viselkedési kísérlet során a gazdája, egy idegen és egy játék tartózkodik az iSPACE-ben, ld. 3-1. ábra. A működés a gazda és az idegen viselkedésén múlik

Az iSPACE és a viselkedési attitűd koncepciója
3.1. ábra - Az iSPACE és a viselkedési attitűd koncepciója


3.3.1. Viselkedés

Etológia által ösztönzött kutatások az ember-kutya kapcsolat és kölcsönhatás területén azt sugallják, hogy a kutyák viselkedési képességeket alakítottak ki az emberi környezetben. A szociális fejlődés megnöveli a túlélési esélyeket az emberi környezetben. [5] A kutyák vizuális (pl. farok-, fej- és fülmozgatást) és akusztikus jeleket (pl. ugatást, morgást és nyüszítést) használnak érzelmeik kifejezésére. A kutyák kombinálják is ezeket a módszereket az emberekkel való kommunikációhoz. Az emberek képesek felismerni a kutyák alapvető érzelmeit különösebb tapasztalat nélkül is.[6] Mérnöki módszereink tükrében nem nyújtunk érzelmi modellt a robotnak, de adunk egy eszközt a modell megvalósítására. A robot érzelmei kifejezhetőek a 3-2. ábra és az 3-3. ábra szerint, ahol a robot szomorú vagy vidám. Analógiát állítunk a kutya és a robot között. Az ember-robot kölcsönhatást az ember-kutya interakció analógiájára tervezzük. Az emberek képesek érzelmek felismerésére a roboton az alapvető kutyaszerű viselkedés motívumaiból.

MogiRobi szomorúságot fejez ki
3.2. ábra - MogiRobi szomorúságot fejez ki


MogiRobi vidámságot fejez ki
3.3. ábra - MogiRobi vidámságot fejez ki


3.3.2. A robot meghajtása

Ipari környezetben leginkább az nonholonóm robotok alkalmasak ipari feladatok elvégzésére. Ellenben a szociális és szervizrobotok esetében további vizsgálatokra van szükség a meghatás koncepcióját tekintve. A cél egy olyan robot készítése, mely könnyen elfogadható az emberek számára, akár egy kutya. Tulajdonképpen a kutya és a legtöbb állat is holonóm mozgásúak. A holonóm robotok és kutyák külön sajátossága, hogy mozgási és nézési irányuk eltérhet a célpont megközelítése során egy nem egyenes trajektórián (ld. 34. ábra). A mozgási és nézési irány mindig különböző a fent említett esetben. Nagyon különös, ha egy nonholonóm meghajtású robot leveszi a tekintetét célpontjáról miközben megközelíti azt.

Különböző mozgási és nézési irányok holonóm mozgás során
3.4. ábra - Különböző mozgási és nézési irányok holonóm mozgás során


Ezen alapul a feltételezésünk, miszerint a holonóm meghajtás megfelelőbb a szerviz robotok esetében érzelmek kifejezésére mozgások által és azzal hogy tekintetüket a célra irányítják miközben megközelítik azt. A holonóm tulajdonság alig érhető el lábbal rendelkező robotok esetében a nagy energiafogyasztás és a széleskörű mérnöki munka igénye miatt. Ebből kifolyólag a holonóm kerék (omni kerék) a MogiRobi kompromisszumos megoldása.

3.4. A MogiRobi műszaki megtervezése

3.4.1. A robot alapja

Lábak helyett a szerkezet egy holonóm alappal rendelkezik. Ez egy új koncepciójú mobil robot meghajtási rendszer. A robot mozgása lábakkal sokkal több energiát igényelne, mint kerekeken gurulva, azon kívül sokkal komplikáltabb és költségesebb is lenne. Egyenletes mozgás lábakon komplex vezérlő algoritmust, drága mechanikai konstrukciót igényelne több változatban is. A fő szempont a robot mozgásának megtervezése során az a képessége volt, hogy mozoghasson minden síkbeli szabadságfokban. A többirányú meghajtással a robot felveheti a referencia pozíciót és orientációt bármely irányból, akár egy kutya, nem csak előre és hátramenetből mint a differenciális, vagy autószerű meghajtások. Az omni kerekek olyan kerekek melyek kerületén körül apró tárcsák (kisebb kerekek) helyezkednek el merőlegesen a gördülési irányra. (37. ábra) Ez a mechanikai konstrukció azt eredményezi, hogy a kerék foroghat teljes erőből, ugyanakkor könnyen elcsúszhat oldalirányba. A három kereket három DC motor hajtja fogaskerekeken és szíjhajtáson keresztül. A robot képes elérni a 2m/s csúcssebességét (7,2 km/h) bármely irányba. Amint az 35. ábra és a 36. ábra mutatja, a motor tengelyek körben helyezkednek el a középpont felé irányítva. A tengelyek 120°-ot zárnak be egymással. Ezzel a fajta konfigurációval egy 3 szabadságfokú holonóm rendszert (x,y, rot z) kaphatunk. A legtöbb szárazföldi állat három szabadságfokban képes mozogni. Forgás és egyidejű haladás valamelyik irányba. [4] A hagyományos meghajtások (kormányzott kerék, differenciális meghajtás) ezt nem tudják teljesíteni. A MogiRobi platformja képes 20 kilogrammot is szállítani maximális sebességén. Körülbelül 0,25 kWatt DC motor erejével rendelkezik. Normál használat mellett két órát képes működni egyetlen akkumulátortöltéssel. Minden motor tengelyen inkrementális enkóderek vannak. Az inkrementális enkóderek jeléből és a kinematikai modellből kiszámolható az x,y és rot z koordináta az út során A és B pont között. Hasonlóképpen megtervezhető az út két relatív referenciapont között interpolációval. Az állati jellegű mozgás (gyorsulás, sebesség, út) elérhető egy beágyazott rendszerben megvalósított vezérlő algoritmussal. Az alvázon elhelyezett alaplap megkaphatja a mozgáshoz szükséges relatív pozíciót, orientációt, abszolút sebességet és gyorsulás referenciát valamint már perifériális referenciákat Bluetoothon keresztül. A perifériális elektronika soros perifériális interfészen (SPI) keresztül csatlakoztatható.

A robot alapja
3.5. ábra - A robot alapja


Az alap megtervezése
3.6. ábra - Az alap megtervezése


A többirányú kerék
3.7. ábra - A többirányú kerék


3.4.2. Test

A robotnak van egy drótozott teste, melyet két RC szervó mozgat fel és le. Ezzel a részével a robot úgy viselkedhet, mint az agresszíven viselkedő macskák.

3.4.3. Fej

A robot fejét a 3-10. ábra szemlélteti, négy szabadságfoka van. A robot nyaka által mozoghat a test íve körül. A fejet egy gömbcsukló kapcsolja a testhez. A gömbcsuklónak három szabadságfoka van (rot x, y, z). A fej a gömbcsukló körül mozog három RC szervó által hajtva. (3-8. ábra és 3-9. ábra) Ezek közül a nyakon található kettő a rot x és y, valamint egy a fejben a rot z szabadsági foknak. (Ahol Z a függőleges tengely. A fejen található még két fül és szempillák melyeket szintén kompakt szervók mozgatnak.

A robot nyaka
3.8. ábra - A robot nyaka


A fej gömbcsuklója
3.9. ábra - A fej gömbcsuklója


A fej
3.10. ábra - A fej


A megfogót a 3-11. ábra szemlélteti. Ez nagyon fontos szerepet játszik amikor a robottal játszunk. A robot befoghat egy labdát vele.

A megfogó
3.11. ábra - A megfogó


3.4.4. A farok

A faroknak fontos szerepe van az érzelmek vizualizálásában. A farok mechanikai konstrukcióját a 3-12. ábra és a 3-13. ábra szemlélteti. Egy szervó hajtás mozgatja a műanyag farkat két vezeték segítségével. A farok rugókkal a testhez van hajlítva. Az oszcilláló mechanikai rendszert egy DC szervó hajtás gerjeszti a csóváló mozgáshoz. A rendszer csillapítása elhanyagolható. Számos rugó kipróbálásával és vezérlő algoritmus segítségével úgy tudtuk behangolni a rendszert, hogy az egy állat farok csóválásához hasonlítson. Ezek a kis dolgok is rendkívül fontosak ahhoz, hogy a robotot el tudják fogadni gyerekek, idősek stb.

A mechanikai lengő rendszer és a bekötött szervó hajtás
3.12. ábra - A mechanikai lengő rendszer és a bekötött szervó hajtás


A farok
3.13. ábra - A farok


3.4.5. Vezérlés és teljesítményelektronika

Minden vezérlőpanelnek van egy processzora. Az első egy egyszerű 8-bites RISC Xmega processzor az Atmeltől. (3-14. ábra) Ez kezeli Bluetoothon keresztül a kommunikációt a szerverrel. Szintén ez kezeli a motorvezérlő ciklust és a magas szintű pozíciószámításokat. Elküldi a szervó vezérlőpanelek számára a referencia szögeket és kezeli a három enkóder csatornát az útméréshez. A szervó vezérlő panelt szemlélteti a 3-15. ábra, ennek 15 kimeneti csatornája van kompakt RC szervókhoz. RC szervók esetében nagyon fontos, hogy izolált tápot használjunk. A szervó vezérlő panel PWM jeleket állít elő a RC szervók számára. A szervó meghajtások erősen limitáltan képesek gyorsulni, hogy elkerüljék a tranziens zavarásokat a mozgás során. Minden szervó trajektória alacsony szimmetrikus gyorsulási profillal van kiszámolva, ezáltal biztosítva egyenletes mozgásprofilt a robotnak. A névleges teljesítmény paraméterei a PWM erősítő panelnak háromszor 24V/10A. Speciális autóiparral kompatibilis IC-ket használunk áram visszacsatolással, túláram- és hőmérsékletérzékeléssel. A robot hátulján található egy LDC vezérlőgombokkal, ld. 3-16. ábra. Lehetőség van választani a különféle vezérlési módok között. Futtathat öntesztet, ellenőrizhet információt, telep töltöttséget.

A robot lehet játék-üzemmódban, ahol külső számítógépről kap vezérlőjeleket a Bluetooth interfészén keresztül. Jogging üzemmódban a gombok segítségével vezérelhető a robot. Önteszt üzemmódban a robot ellenőrzi a perifériáit és a szervó meghajtást.

A mozgásvezérlő panel
3.14. ábra - A mozgásvezérlő panel


A szervó vezérlő panel
3.15. ábra - A szervó vezérlő panel


Az LCD és vezérlőgombok
3.16. ábra - Az LCD és vezérlőgombok