ربات نجات Mini Cheetah توسط آزمایشگاه Biomimetic Robotics در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) توسعه یافته است. ربات Mini Cheetah کوچکترین، سریعترین و چابکترین ربات چهارپای الکتریکی جهان در زمان معرفی خود در سال ۲۰۱۹ بود. این ربات با وزن تنها ۹ کیلوگرم (کمتر از یک سگ واقعی نژاد چیواوا)، قادر است با سرعت ۳٫۷ متر بر ثانیه بدود، ۹۰ درجه درجا بچرخد، پشتک بزند، از موانع بلندتر از قد خود بپرد و حتی در صورت سقوط روی پشت، بهسرعت بلند شود. برخلاف رباتهای چهارپای سنگین و گرانقیمت قبلی مانند BigDog یا ربات اسپات بوستون داینامیکس، Mini Cheetah بهطور خاص برای هزینه پایین (حدود ۱۰٬۰۰۰ دلار برای هر واحد)، تولید انبوه و استفاده گسترده در عملیات جستجو و نجات طراحی شده است.
این ربات بهعنوان پلتفرم تحقیقاتی باز (open-source) منتشر شد و تمام فایلهای طراحی مکانیکی، الکترونیکی و نرمافزاری آن از طریق GitHub در دسترس جامعه جهانی قرار گرفت. هدف اصلی، ایجاد رباتی بود که بتواند در محیطهای پس از سوانح طبیعی، ساختمانهای فروریخته، مناطق آلوده به مواد شیمیایی یا هستهای و حتی سیارات دیگر حرکت کند؛ جایی که رباتهای چرخدار یا انسان نمیتوانند وارد شوند.
اهداف MIT از ساخت ربات نجات Mini Cheetah
هدف اصلی تیم پروفسور Sangbae Kim، ایجاد ربات چهارپایی بود که هم از نظر هزینه و هم از نظر وزن، یک نسل کامل جلوتر از رباتهای موجود باشد. در حالی که Spot شرکت Boston Dynamics حدود ۷۵٬۰۰۰ دلار قیمت دارد و وزنی بیش از ۳۰ کیلوگرم، Mini Cheetah با هزینه یکدهم و وزن یکسوم، همان قابلیتهای حرکتی یا حتی بهتر را ارائه میدهد. هدف دوم، توسعه الگوریتمهای کنترل پیشرفتهای بود که ربات بتواند بدون وابستگی به سنسورهای گرانقیمت مانند لیدارهای بزرگ، تنها با استفاده از دوربینهای ساده و سنسورهای اینرسی، در محیطهای پیچیده حرکت کند.
هدف سوم، کاربرد مستقیم در عملیات نجات بود. تیم MIT میخواست رباتی بسازد که بتواند بهسرعت در میان آوار زلزله، داخل تونلهای فروریخته یا مناطق پر از دود حرکت کند، نقشه سهبعدی ایجاد کند، افراد زنده را پیدا کند و اطلاعات را به تیمهای نجات انسانی منتقل کند. به همین دلیل، ربات بهطور کامل الکتریکی و بدون هیچ سیستم هیدرولیکی ساخته شد تا در محیطهای قابل اشتعال نیز ایمن باشد.
ساختار فنی و مکانیکی ربات Mini Cheetah
هر یک از چهار پای ربات نجات Mini Cheetah دارای سه مفصل فعال (hip, knee, shoulder) است که توسط ۱۲ موتور الکتریکی اختصاصی MIT Cheetah Motor (نسخه کوچکشده) حرکت میکنند. این موتورها از نوع modular هستند و هر کدام تنها ۵۰۰ گرم وزن دارند اما گشتاور پیوسته ۳۳ نیوتنمتر و گشتاور لحظهای بیش از ۷۰ نیوتنمتر تولید میکنند. نسبت قدرت به وزن این موتورها بیش از هر موتور تجاری موجود در بازار است.
بدنه ربات از ترکیب فیبر کربن و آلومینیوم ۷۰۷۵ ساخته شده و تمام قطعات مکانیکی با پرینتر سهبعدی تیتانیوم یا روش ماشینکاری CNC تولید میشوند. طراحی ماژولار به گونهای است که در صورت آسیبدیدگی یک پا، میتوان آن را در کمتر از پنج دقیقه تعویض کرد. کل ربات Mini Cheetah بدون باتری تنها ۸٫۵ کیلوگرم وزن دارد و با باتری لیتیومپلیمر ۱٫۲ کیلوگرمی به ۹ کیلوگرم میرسد.
موتورهای الکتریکی و سیستم حرکت
هر موتور از نوع three-phase PMSM با درایو اختصاصی است که فرکانس سوئیچینگ ۴۰ کیلوهرتز دارد و امکان کنترل گشتاور در سطح میلیثانیه را فراهم میکند. نسبت کاهش گیربکس تکمرحلهای ۵٫۸:۱ است و بازدهی کلی سیستم محرک بیش از ۹۰ درصد است. این موتورها قادرند ۴ برابر وزن ربات را بهصورت لحظهای بلند کنند که دلیل اصلی توانایی پرش و دویدن سریع ربات است.
منبع تغذیه از یک باتری ۴۸ ولت ۱۲۰۰ واتساعتی تأمین میشود که امکان ۳۰ دقیقه دویدن مداوم یا بیش از ۲ ساعت حرکت آرام را فراهم میکند. سیستم مدیریت باتری هوشمند (BMS) بهگونهای طراحی شده که حتی در صورت آسیبدیدگی یک سلول، ربات بتواند به کار خود ادامه دهد.
طراحی بدنه سبک و مقاوم
بدنه اصلی از سه صفحه فیبر کربن ۳ میلیمتری تشکیل شده که با پیچهای تیتانیومی به هم متصل هستند. تمام قطعات متحرک با بلبرینگهای سرامیکی و بوشهای خودروانکاری پوشیده شدهاند تا در محیطهای پر از گرد و غبار نیز کار کنند. طراحی بهگونهای است که ربات میتواند از ارتفاع ۲ متری به زمین سخت بیفتد و بدون آسیب ادامه دهد.
ضریب ایمنی سازهای در برابر ضربه بیش از ۱۰ برابر است و تستهای سقوط از ارتفاع و برخورد با موانع نشان داده که حتی در سرعت ۵ متر بر ثانیه، هیچ قطعهای نمیشکند. پوشش خارجی ربات نجات Mini Cheetah از مواد آبگریز و مقاوم در برابر شعله است تا در محیطهای مرطوب یا آتشگرفته نیز قابل استفاده باشد.
سیستم کنترل تعادل و پایداری
کنترلکننده اصلی بر پایه مدل MPC (Model Predictive Control) با افق پیشبینی ۰٫۳ ثانیه کار میکند و ۱۰۰۰ بار در ثانیه موقعیت و سرعت تمام مفاصل را بهروزرسانی میکند. الگوریتم تعادل از ترکیب کنترل مبتنی بر نیرو (impedance control) و کنترل موقعیت استفاده میکند تا ربات در زمینهای ناهموار، لغزنده یا شیبدار پایدار بماند.
در صورتی که ربات نجات Mini Cheetah تعادل خود را از دست بدهد، الگوریتم recovery بهسرعت پاها را به موقعیت مناسب برمیگرداند و در کمتر از ۰٫۴ ثانیه ربات دوباره روی چهار پا میایستد. این سیستم حتی در هنگام دویدن روی یخ یا شنهای روان نیز کار میکند.
الگوریتمهای هوش مصنوعی برای حرکت مستقل
تیم MIT از یادگیری تقویتی (Reinforcement Learning) در محیط شبیهسازی MuJoCo استفاده کرد تا ربات Mini Cheetah بتواند حرکات پیچیده مانند پشتک زدن، پرش از روی موانع یا بالا رفتن از پله را یاد بگیرد. پس از میلیونها ساعت شبیهسازی، سیاست کنترل به ربات واقعی منتقل شد و با تنها چند ساعت تنظیم، ربات توانست همان حرکات را در دنیای واقعی انجام دهد.
در نسخههای جدیدتر، از شبکههای عصبی بازگشتی (RNN) برای پیشبینی رفتار سطح زمین استفاده میشود تا ربات قبل از برخورد با مانع، سرعت و زاویه پاها را تنظیم کند. این الگوریتمها کاملاً روی پردازنده داخلی ربات (Intel NUC i7) اجرا میشوند و نیازی به ارتباط دائمی با کامپیوتر خارجی ندارند.
سنسورهای فاصله، دوربین و لیدار
نسخه استاندارد از دو دوربین Intel RealSense D435، یک واحد اینرسی ۹ محوره VectorNav VN-100 و ۱۲ انکودر مطلق در مفاصل استفاده میکند. در نسخههای پیشرفتهتر برای عملیات نجات، یک لیدار Velodyne Puck Lite نیز اضافه شده است. دوربینها برای تشخیص موانع و شناسایی افراد و لیدار برای نقشهبرداری سهبعدی در محیطهای تاریک یا پر از دود استفاده میشوند. سیستم پردازش تصویر مبتنی بر شبکه عصبی YOLOv5 قادر است انسان، حیوان یا اشیای خطرناک را با دقت بالای ۹۵ درصد تشخیص دهد و موقعیت آنها را به تیم نجات گزارش کند.
عملکرد ربات Mini Cheetah در محیطهای نجات
در تستهای واقعی پس از زلزله شبیهسازیشده، Mini Cheetah توانست در میان آوارهای بتنی، میلگرد و شیشه شکسته حرکت کند، افراد مصدوم را پیدا کند و موقعیت دقیق آنها را با دقت کمتر از ۲۰ سانتیمتر گزارش دهد. ربات قادر است در دود غلیظ، تاریکی کامل یا محیطهای با گازهای سمی کار کند زیرا هیچ سیستم احتراقی ندارد. در تستهای آتشنشانی، ربات توانست داخل ساختمان در حال سوختن حرکت کند، دمای محیط را اندازهگیری کند و مسیرهای امن خروج را برای آتشنشانان مشخص کند.
ربات نجات Mini Cheetah میتواند روی سطوح با شیب تا ۴۵ درجه، شن، برف، یخ و حتی پلههای غیراستاندارد حرکت کند. سرعت متوسط در زمین ناهموار حدود ۱٫۵ متر بر ثانیه است و ربات میتواند موانع تا ارتفاع ۴۰ سانتیمتر (بیش از دو برابر قد خود) را رد کند. در تستهای صحرایی، ربات توانست در میان سنگهای تیز و ناهموار کوهستانی بدون هیچ آسیب مکانیکی بیش از ۱۰ کیلومتر حرکت کند.
قابلیت پریدن، دویدن و عبور از موانع
ربات نجات Mini Cheetah سریعترین ربات چهارپای الکتریکی جهان است و رکورد سرعت ۳٫۷ متر بر ثانیه را ثبت کرده است. ربات میتواند از روی موانع ۶۰ سانتیمتری بپرد، پشتک کامل بزند و حتی حرکات آکروباتیک مانند چرخش ۳۶۰ درجه در هوا را انجام دهد. توانایی پرش عمودی آن بیش از ۸۰ سانتیمتر است. در سال ۲۰۲۱، ربات توانست مسابقه دو با انسان را در مسیر ۱۰۰ متر ببرد و زمان ۲۴ ثانیه را ثبت کند.
ربات از شبکه Wi-Fi 802.11ac و رادیو ۹۰۰ مگاهرتز برای ارتباط استفاده میکند و برد عملیاتی تا ۵۰۰ متر در فضای باز و ۱۰۰ متر در محیطهای بسته است. اپراتور میتواند از طریق تبلت یا لپتاپ، ربات را بهصورت دستی کنترل کند یا آن را در حالت خودکار قرار دهد. در حالت خودکار، ربات میتواند مسیر تعیینشده را طی کند، موانع را دور بزند و در صورت قطع ارتباط، بهطور خودکار به نقطه شروع بازگردد.
تستهای میدانی انجامشده روی ربات
در سال ۲۰۲۲، Mini Cheetah در تمرین مشترک FEMA و آتشنشانی بوستون در یک ساختمان فروریخته واقعی تست شد. ربات نجات Mini Cheetah توانست ۴ نفر مصدوم را در کمتر از ۸ دقیقه پیدا کند، در حالی که تیم انسانی برای همان کار ۳۵ دقیقه زمان نیاز داشت. در تستهای ارتش آمریکا، ربات توانست در محیط جنگلی پر از مین و تله، مسیر امن را شناسایی کند.
در سال ۲۰۲۳، ناسا از نسخه اصلاحشده ربات برای تست در محیط شبیهسازیشده مریخ استفاده کرد و ربات توانست در خاک شبیه مریخ و شیبهای تند بدون مشکل حرکت کند. Mini Cheetah در مقایسه با Spot (Boston Dynamics) حدود یکسوم وزن، یکدهم هزینه و دو برابر سرعت دارد. در مقایسه با ANYmal (ETH Zurich) سبکتر، سریعتر و ارزانتر است اما برد باتری کمتری دارد. نسبت به رباتهای چینی مانند Unitree Laikago یا Aliengo، کنترل پیشرفتهتر، قابلیت پرش بهتر و دقت حرکتی بالاتری دارد. در حال حاضر هیچ ربات چهارپای دیگری در جهان نمیتواند با این ترکیب از سرعت، چابکی، هزینه پایین و قابلیت منبعباز رقابت کند.
