Prof. Robert McGhee
Dijital Sistemler Laboratuvarı Direktörü
Ohio State University
1659 North High St.
Columbus, OH 43210
"Şu anda en yoğun biçimde çalıştığımız alan, araziye uyum sağlayabilen araçlardır, ... kabaca söylemek gerekirse yapay bir at."
Intelligent Systems adlı eserden alıntıdır; editörler Jean Hayes ve Donald Michie. Telif hakkı © 1983 Ellis Harwood Ltd., Chichester, İngiltere. John Wiley and Sons, Inc., New York’un bir bölümü olan Halstead Press tarafından dağıtılmaktadır. Yayıncının izniyle yeniden basılmıştır. Bu makalenin 1. Bölümü Mart–Nisan 1985 sayısında yayımlanmıştır.
Dört Ayaklı Bir Araç
General Electric Dört Ayaklı Aracı, 1964’ün başlarında yapımına başlanmış, yaklaşık 1967’de tamamlanmış ve ilk kez test edilmiştir. Makine, hem mantıksal hem de eşgüdüm düzeylerinde kontrol için insanı kullanır. Operatöre bir güç desteği sağlanır ve uzuv hareketleriyle ilişkili tam kuvvetin %1’inden fazlasını sağlaması gerekmez.
Dolayısıyla, insan bacaklarını ya da ellerini hareket ettirdiğinde, makine bu hareketi büyütür ve insanın uyguladığından 100 kat daha fazla kuvvet uygular. Bu nedenle, burada sağlanan yardım esasen güç yükseltmeden ibarettir. Operatörün kendisinin, her bacakta üç olmak üzere toplam 12 eklemi; kalçada iki, dizde bir eklemi eşgüdümlemesi gerekir.
Operatör üzerindeki bu çok ağır yüke rağmen (bir helikopterinkinin iki katı serbestlik derecesi), birkaç kişi bu makineyi kullanmada dikkate değer bir çeviklik düzeyine ulaşabilmiştir. Temel zorluk, işin son derece yorucu olmasıydı. En iyi operatör bile — ki tesadüfen makinenin tasarımcısıydı — onu günde yalnızca yaklaşık 10 dakika çalıştırabiliyor, ardından tamamen tükeniyordu.
Bu makinenin farkına vardığımda, ilgili kişileri bir otomatik pilota ihtiyaçları olduğuna ikna edebileceğimizi düşündüm. Bu nedenle, bugün bir profesör olan öğrencilerimden biri Dr. Andrew Frank ile birlikte, daha sonra The Phony Pony adı verilen makineyi yapmaya karar verdim. Bunun tek bir amacı vardı — eklem hareketlerinin elektronik olarak eşgüdümlenebileceğini göstermek.
O dönemde mikroişlemcilerimiz yoktu, bu yüzden kendi özel amaçlı bilgisayarımızı yaptık. İçinde yalnızca 16 flip-flop vardı ve yine de bir ekipman rafı dolduruyordu. Ancak amacını kanıtladı. Hareketin elektronik olarak eşgüdümlenebileceğini ve bunun mutlaka biyolojik zekâ gerektirmediğini gösterdik.
1969’da Yugoslavya’daki bir toplantıda bu fikirler hakkında kısa bir film gösterdim. Bu film, Amerika Birleşik Devletleri’ndekilerden daha fazla, Sovyetler Birliği’ndeki araştırmacıların ilgisini çekti. Ülkelerine döndüler ve hareket eşgüdümü problemi üzerinde kendileri çalışmaya başladılar; 1972’ye gelindiğinde büyük bir bilimsel problemi çözmüşlerdi.
Çözülen bilimsel problem şuydu: Bir yürüyen makinenin uzuv hareketleri, kararlılığını en üst düzeye çıkarmak için nasıl eşgüdümlenmelidir? Çözüm, dalga yürüyüşü olarak adlandırılan yöntemdir. Bu, makinenin arka kısmından ön kısmına doğru ilerleyen bir hareket dalgasını içerir; sağ taraftaki ve sol taraftaki bacakların yere basması, çevrimin yarısı kadar faz dışıdır.
Çok yoğun ve uzun süreli bir bilgisayar çalışması sonucunda Sovyetler, bunun altı bacaklı bir makinenin bacaklarını kullanmanın en uygun yolu olduğunu kanıtladılar. Ek bacak çifti, yapay bir dört ayaklı makine üretmeye çalışmanın hareket eşgüdümü açısından aşırı iddialı olduğu anlaşıldığı için eklenmişti. Dengeleme problemi çok zordur. Bu nedenle, Sovyet yürüyen makinesinde dengeleme sorununu basitleştirmek için ortada bir çift ek bacak bulunmaktadır.
Bu düzenleme, her bacakta üç olmak üzere toplam 18 serbestlik derecesi sağlar (her bacağın keyfi olarak konumlandırılabilmesi için gereken asgari sayı budur). Bu kadar çok serbestlik derecesiyle (endüstriyel bir robottaki altı ya da yediye kıyasla 18), son derece zengin bir davranış türü mümkündür. Belirli bir arazi üzerinde gövde hareketiyle ilişkili tekil bir yörünge yoktur; bunun yerine, neyin kontrol edileceğine karar verilebilir.
Örneğin, gövde seviyesini korumanın önemli olduğuna karar verilebilir ve bu yapılabilir. Ya da tekerlekli ya da paletli bir araçtan farklı olarak, her taşın üzerinden zıplayarak geçmenin gerekli olmadığına, bunun yerine bir insanın ya da bir atın yaptığı gibi, ya taşın üzerinden adım atarak ya da üzerine basarak ilerlemenin yeterli olduğuna karar verilebilir. Bu şekilde, oldukça büyük engeller aşılabilir.
Bir Hayvan Vücudunu Ayarlar
Bu çalışmanın bir filmini 1972 yılında gördüm ve çok etkilendim. Gösterilen şeyin bir sanatçının tasviri değil, bir bilgisayarın harekete ilişkin tüm kararları aldığı, sözde gerçek zamanlı bir film olduğunu fark etmek oldukça önemlidir.
Bununla birlikte, bu tür idealleştirilmiş hareketin gerçekten istenen şey olmadığı sonucuna vardım. En azından hayvanların yaptığı bu değildir. Hayvanlar vücutlarını, yerel arazi eğimine aşağı yukarı paralel olacak şekilde ayarlar. Bunun iki tür sorunu önlemek için yapıldığını söyleyebiliriz: Bir hayvan için karnını sürtmek hoş değildir, bu yüzden onu yerden uzak tutmayı ister; öte yandan, vücudunu çok fazla yükseltirse, bacak uzunluğu yetmez hale gelir ve bu da aynı derecede sakıncalıdır.
Dolayısıyla çoğu durumda biyolojik çözümü izlemek ve gövdeyi yatay tutmaya çalışmak yerine, onu araziye kabaca paralel konumlandırmak daha mantıklı görünmektedir.
1976 yılına gelindiğinde Sovyetler, bir tür uzaktan algılamanın öneminin farkına vararak başka bir ilerleme daha kaydetmişti. Etkili olabilmesi için bir robotun (Sovyet çalışmaları, üzerinde insan operatör bulunmayan gerçek robotlar üzerine yoğunlaşmıştır) ilkel de olsa bir tür görme yeteneğine ihtiyacı vardır. Engelleri onlara çarpmadan önce fark etmesi gerekir.
Bu nedenle 1976 yılında, bir üçgenleme mesafe ölçerin eyleminin varsayıldığı mükemmel bir simülasyon çalışması yaptılar. Bu, görüntülemeye dayalı bir görme değildir. Sovyetler Birliği’nde, ve ben de buna katılıyorum ki, bu aşamada görüntülemeli görme sistemleri yürüme kontrolü için fazla zor ve fazla ileri düzeydedir.
Ancak radar benzeri bir şeye sahip olabiliriz: üçgenleme mekanizmasını kullanarak bir araziyi tarayan ve bir rölyef haritası sağlayan bir aygıt. Tarayıcılar aracın üstündedir, alıcılar gövdededir ve görüntünün kaynakla kesişim hattını hesaplarsanız, arazinin nerede olduğunu bilirsiniz.
Bu, bugüne kadar bildiğim kadarıyla, yürüyen bir robotun zor bir arazide yolunu bulmasına ilişkin en ileri gösterimdir.
Yine 1976 yılında, hem benim kurumum olan Ohio State’te hem de Sovyetler Birliği’nin çeşitli noktalarında, simülasyon çalışmalarında gösterilen türden davranışı donanımda gerçekleştirmek üzere yapım çalışmaları sürmekteydi. Ohio State University Hexapod adı verilen makinemiz ilk kez 1977’nin başlarında yürüdü ve bildiğim kadarıyla ilk Sovyet makinesi yaklaşık dört ay sonra yürüdü.
1977’den bu yana, daha üst düzey kontrol sorununu inceliyoruz: Bir insan ile bir hesaplama makinesi, robotun eklemlerinin hareketlerini düzenlemek ve eşgüdümlemek için nasıl etkili biçimde iş birliği yapabilir?
Operatör ile Yürüyen Makine Arasında İletişim
Yakın zamanda, insan operatör ile robot arasındaki iki tür iletişimi göstermek için bir film yaptık. Birinci iletişim türü, büyük ölçüde basitleştirilmiş bir dil kullanan simgesel iletişimdir. Bu dil, yaklaşık bir düzine kadar olan yalıtılmış komutlardan oluşur.
Bunlardan biri şudur: “Bacaklarını dene ve düzgün çalışıp çalışmadıklarını gör.” Böylece, sistemin herhangi bir parçası düzgün çalışmıyorsa, yürümeye başlamadan önce bunu fark ederiz. Yürüyüşten önce, yürüyüşün başlatılması için uzuvlarını uygun şekilde konumlandırarak başlangıç konumunu alması gerekir.
Robotla ikinci tür iletişim için ise, bir pilotun kumandalarına benzer bir şeye ihtiyaç vardır. Bu özel düzenek, üç eksenli bir joystick içerir. Joystick’in burulması, robotun gövdesinin burulmasına neden olur — aslında dönme hızını belirler. İleri–geri sapma, ileri–geri hızı belirler; sağ–sol sapma ise sağ–sol hızını belirler ve elbette eşgüdümlü hareket mümkündür.
Artık operatör yalnızca makinenin gövdesinin ne yapmasını istediğini düşünür; bacakların ne yapması gerektiğiyle bilgisayar ilgilenir.
Robot yürüdüğünde, hareket oldukça yavaştır. Bunun nedeni, deneyim yoluyla keşfettiğimiz bu makinedeki başka bir kusurdur. Daha önce bir katırın inatçılığından söz etmiştim. Bir katır kendine zarar vermez. Aslında bir attan daha zekidir.
Bir ata, kas kapasitesini aşan şeyler yaptırarak kendine zarar vermesini sağlayabilirsiniz. Bir katır bunu yapmaz. Bu makine ise bir attan bile daha uyumludur. Ona ne söylerseniz yapar — örneğin ön bacaklarını koparmak gibi.
Gerçek bir yürüyen makinenin, pratik bir yürüyen makinenin, makineye zarar verecek ya da operatöre zarar verecek şeyleri yapmayı reddetmesi için yapay bir acı duygusuna sahip olması gerektiğini düşünüyoruz.
Şu anda makinenin yetenekleri arasında eşgüdümlü hareket, ileri hareket, dönme ve bir miktar yana hareket bulunmaktadır. Yan geçiş yapabilir; yani gövdesini sabit bir yönelimde tutarak tamamen yanal olarak hareket edebilir. Geri gitmek için kontrol kolunu arkaya çekmek yeterlidir ve aynı anda burulursa araç dönmeye başlar.
Bilgisayar araç üzerinde değildir, ancak araç üzerinde önemli miktarda sayısal elektronik bulunmaktadır. Bilgisayar, kablo aracılığıyla her bir bacak için üç tür bilgi sağlar: her üç eklemin konumu, her üç eklemin hızı ve (şu anda bir bacak için) zeminle olan tepki kuvveti.
Böylece bilgisayar, robotun arazi üzerinde ilerlerken hangi kuvvetlerle karşılaştığını bilir. Bu özellik, araziye uyum sağlamaya ve enerjinin verimli kullanılmasına olanak tanır. Yakın zamanda, odanın zeminine demiryolu traversleri yerleştirip bu deneyi tekrarlamayı, makinenin traverslerin üzerinden geçmesini ve ayarlamaları otomatik olarak yapmasını bekliyoruz.
Bunun için dikey bir algıya sahip olması gerekir; şu anda dikey bir jiroskop ve iki sarkaç algılayıcısı ile buna sahiptir. Deney bittiğinde, ondan tekrar ayağa kalkmasını isteriz.
Japon Dört Ayaklı Makine
Yukarıda anlatılanlar, Ohio State University’deki son çalışmalara dair kısa bir özettir.
Yalnızca Sovyetler Birliği’ndeki araştırmacılarla değil, aynı zamanda Japonya’daki araştırmacılarla da temas halindeyiz; Japonya’da oldukça ileri çalışmalar yürütülmektedir. Özellikle, mantıksal ya da sonlu durumlu kontrol hakkındaki kendi erken fikirlerim Japon araştırmacılar, özellikle Profesör Hirose tarafından ele alınmış ve birkaç ilginç özelliğe sahip dört ayaklı bir makine ortaya koyacak şekilde çok daha ileri bir düzeye taşınmıştır.
Her şeyden önce, bacaklar bir makine mühendisi tarafından tasarlanmıştır (ben bir elektrik mühendisiyim). Bir makine mühendisi, eyleyicileri uzuvların üzerinden kaldırıp, gereksiz ağırlık ve buna bağlı enerji verimsizliği üretmelerini önleyecek kadar sağduyuludur. Motorları gövdeye yerleştirmiş ve eklemleri, insan vücuduna çok benzer biçimde, tendonlar aracılığıyla hareket ettirmiştir.
Makinenin bir başka özelliği, engellerin varlığını fark etmesine ve onlara uyum sağlamasına olanak tanıyan dokunsal bir algıya sahip olmasıdır. Makinenin bir kusuru ise fazla otonom olmasıdır. İnsanla bir iletişim yoktur. Bir yola gönderildiğinde kendi yolunu bulur ve onu geri çağıramazsınız.
Bir diğer kusur da yalnızca dört bacağa sahip olması nedeniyle daha düşük bir kararlılık derecesine sahip olmasıdır. Bacaklarını ve gövdesini aynı anda hareket ettiremez; bu durum, dört bacaktan fazlasına duyulan gereksinimi bir kez daha göstermektedir.
Yürüyen makine olarak adlandırmaya razı olabileceğim ilk ticari açıdan uygulanabilir makine, daha önce sözü edilen Menzi Muck’tır. Oldukça zekicedir ve görünüşe göre maliyet açısından etkilidir; 80.000 ile 100.000 dolar arasında satılmaktadır. Bir durumda, tomruk hasadı için uyarlanmıştır. Koldaki hidrolik makas, tek bir hamlede 12 inçe kadar çapta bir ağacı kesebilmektedir. Operatör ayrıca ağaçları daha sonra toplanıp işlenmek üzere istifleyebilir.
OSU Hexapod yürüyen makinesi, belki de çok gelişmiş olmayan, yürüyen bir çubuk böceğine benzer bir şeydir. Daha gelişmiş böceklere baktığınızda, uzuvlarda uzmanlaşma görürsünüz. Çekirge buna bir örnektir. Arka bacakları zıplamak için, ön bacakları yiyecek tutmak için, orta bacakları ise denge sağlamak için kullanılır.
Aynı türden bir uzmanlaşma Menzi Muck’ta da görülür; çünkü bu, bir araştırma makinesi değil, belirli bir işlev için tasarlanmış bir makinedir. Ancak eşgüdüm oldukça ilkel düzeydedir. Operatöre yardımcı olan bir mikroişlemci olsaydı, üretkenliğin artırılabileceğini düşünüyorum. Operatörün yalnızca uç efektörün ne yaptığını düşünmesi, eklemleri tek tek hareket ettirmek için sürekli kollar çekmek zorunda kalmaması gerekir.
Yeni bir çalışma sahasına geçmek istediğinde, güç koldan gelir. Arka bacaklar — hareketleri tekerleklerin kullanımıyla basitleştirilmiştir — ve orta bacaklar destek ve denge için kullanılır.
Mevcut Durum
Bugün geldiğimiz nokta burasıdır. Üç yıl içinde, OSU Hexapod aracından türetilmiş, insan taşıyabilen yeni bir makine geliştirmiş olmayı umuyoruz. Muhtemelen Toyota benzeri, yaklaşık 80 beygir gücünde bir içten yanmalı motora sahip olacaktır. Makinenin ağırlığı büyük olasılıkla 3.000 ya da 4.000 libre olacak ve başlangıçta kesinlikle altı bacağı olacaktır.
Orta bacak çiftinden kurtulmak isterdik, ancak onlar olmadan dengeleme sorununu yeterince ele alabileceğimizi düşünmüyoruz.
Eyleyici mekanizmanın büyük olasılıkla hidrolik olması beklenmektedir, ancak bu ciddi bir sorundur. Geleneksel hidrolik eyleyicilerin verimliliği kabul edilemez düzeydedir. Operatörün uçak tipi kumandalara sahip olmasını ve hız ile yönü kontrol etmeye odaklanmasını bekliyoruz. Araç üzerindeki bilgisayarlar, en azından
Mayıs–Haziran 1985 için COMPUTERS and PEOPLE
Her bacak için bir mikroişlemci, en az bir merkezi eşgüdüm bilgisayarı ve muhtemelen tamamen bağımsız bir arıza algılama ve arıza düzeltme bilgisayarı, insanlar ve makine için güvenlik sağlamak amacıyla sisteme dâhil edilecektir. Tüm sistemin, umarız, saatte yaklaşık 5–8 mil hızla hareket etmesi beklenmektedir. Hızı etkileyici olmayabilir, ancak hareket kabiliyetinin öyle olmasını umuyoruz.
Eşgüdüm problemini oldukça ayrıntılı biçimde anladığımıza inanıyorum. Öte yandan, karar vermenin insan ile makine arasında tam olarak nasıl paylaştırılması gerektiğini bilmiyoruz. Yani, mantıksal düzeyi, geometrik ya da kinetik düzeyleri anladığımız kadar iyi anlamıyoruz.
Ancak gerçekten ciddi olan bir başka sorun daha vardır. Gabrielli ve von Karman tarafından 30 yıl önce yapılan çalışmalardan türetilen bir eğri, bilinen tüm ulaşım türleri için, azami hız ile özgül güç arasındaki ilişkiyi gösteren bir asimptot bulunduğunu ortaya koymaktadır. Dikey eksen, bir araçta ton başına gereken motor gücünü gösterir; ton başına 0,1 beygir gücünden başlayıp ton başına 2000 beygir gücüne kadar çıkar. Hız arttıkça, elbette güç gereksinimi de artar. Atların çok verimli olduğunu belirtmek ilginçtir. Bir at, ne kadar hızlı hareket ettiğine bağlı olarak, bir tonu bir beygir gücünden biraz az ya da biraz fazla bir güçle hareket ettirebilir. Bir insandan çok daha verimlidir. Etkili biçimde hareket etmek istiyorsanız, görünüşe göre iki yerine dört bacak kullanmak daha iyidir. İnsanlar, atlara kıyasla yaklaşık üç ya da dört kat daha fazla enerjiye ihtiyaç duyar. O kadar hızlı gidemezler ve o kadar verimli hareket edemezler. Arazi dışında hareket söz konusu olduğunda, paletli araçlardan hâlâ çok daha iyiyiz. Paletli araçlar, bir ata kıyasla ton başına yaklaşık 10 ila 20 kat daha fazla beygir gücü gerektirir. Bir tank, birkaç yüz beygir gücü ister ve onlarca ton ağırlığındadır.
Yürüyen makineler bunun da ötesindedir. Uyarlanabilirliklerine rağmen, enerji maliyetleri kabul edilemez düzeydedir. Bu nedenle, bizim için büyük bir meydan okuma — ve üniversitemdeki programımızın yarısı — yürüyen makinelerin grafikteki eğrisini aşağıya çekmeyi içermektedir. Makine mühendisleri bunu nasıl yapacaklarını bildiklerini düşünmektedir.