KN Robocik – Politechnika Wrocławska – Wydział Mechaniczny

Roboty pełnią dziś w zastępstwie człowieka coraz więcej funkcji: taśmy produkcyjne, bezpieczeństwo czy wsparcie pracy lekarzy. Nie mniej istotne jest jednak ich wykorzystanie w trudno dostępnym dla człowieka środowisku wodnym. To właśnie pływające drony stały się dla KN Robocik motywem przewodnim. Koło Naukowe Automatyki i Robotyki „Robocik” istnieje już od ponad 20 lat i działa przy Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej. Znaczący rozwój zanotowało jednak dopiero w ostatnich latach za sprawą pionierskiego projektu PWr Diving Crew, który pozwolił organizacji w krótkim czasie przekształcić się z niewielkiego koła na w jedno z pięciu kół strategicznych Politechniki Wrocławskiej. W czasie swojej długoletniej działalności organizacja zajmowała się wszelkiego rodzaju robotyką (mini mouse, line followery etc.), ale obecnie kojarzona jest przede wszystkim z pracami nad rozwojem pojazdów typu ROV oraz AUV. Projekt PWr Diving Crew został zapoczątkowany w 2016 roku, kiedy ówcześni członkowie koła poszukiwali pomysłu na innowacyjną, nieszablonową działalność. Obecnie program ten stanowi fundament i główny obszar działalności około 60 członków koła, skupionych w pięciu różnych działach. Są nimi studenci nie tylko Politechniki Wrocławskiej, ale także Uniwersytetu Ekonomicznego czy Uniwersytetu Wrocławskiego. Pojazdy typu ROV (Remotely Operated Vehicle) to zdalnie sterowane jednostki pływające, zdolne do zanurzenia pod powierzchnią wody i wykonywania różnego rodzaju prac. Obecnie Robocik zajmuje się pojazdami AUV (Autonomous Underwater Vehicle), czyli autonomiczną odmianą ROV. Taki pojazd jest wyposażony w systemy, które umożliwiają mu poruszanie się w środowisku wodnym bez koniecznej interakcji z człowiekiem. Dzięki zestawowi sensorów oraz zaawansowanym algorytmom sztucznej inteligencji jest w stanie samodzielnie wykonywać zaprogramowane wcześniej zadania.

Naprzeciw problemom

Budowa tego typu pojazdów to dziedzina, która wciąż przysparza inżynierom wielu trudności, dających jednocześnie znaczące pole dalszego rozwoju. Istotnym zagadnieniem jest niezawodność tych urządzeń – nawet dostępne w sprzedaży, profesjonalne konstrukcje nie są jeszcze na tyle sprawne, by w każdej sytuacji powrócić do użytkownika w przypadku utraty kontaktu z nadajnikiem. To istotne z uwagi na koszt konstrukcji. Problem wiąże się też z systemami wizyjnymi, które nie w każdym środowisku są w stanie zapewnić odpowiednią widoczność. Pomimo przeciwności, inwestycja w rozwój tego typu konstrukcji przynosi wymierne korzyści ze względu na mnogość funkcji, jakie mogą spełniać. Pojazdy typu ROV/AUV odgrywają coraz istotniejszą rolę ze względu na szereg możliwych do spełniania przez nie zadań. Należą do nich m.in.: ratownictwo wodne, badanie dna oceanicznego, badanie powierzchni polodowcowych, inspekcja wodociągów oraz konstrukcji podwodnych etc. Mogą służyć do lokalizacji tonących osób w miejscach trudno dostępnych, a także wsparcia nurków podczas zejść pod wodę. Mocowane do łodzi chwytaki wykonują szereg czynności takich jak pobieranie próbek z dna oceanicznego pozwalających określić stan środowiska czy zbieranie informacji dotyczących mechanizmu topnienia lodowców. Przesuwany po określonej trajektorii z jednoczesnym wywarciem nacisku manipulator pozwala też ocenić stan techniczny konstrukcji wodnych, np. rur.

Cztery generacje ROV

Obecnie przez członków organizacji rozwijana jest czwarta, zbudowana od podstaw, generacja projektu – ROV 4.0, nazwana już zwyczajowo, natomiast już w pełni autonomiczna. Konstrukcja może zanurzać się na głębokość 100 metrów, umożliwia zamocowanie na korpusie wyrzutni torped czy manipulatora o trzech stopniach swobody. Do tego wyposażona jest w 4 kamery i czujniki takie jak hydrofony, czujnik głębokości, sonar czy czujnik nawigacji inercyjnej IMU. Zadania są wykonywane autonomicznie dzięki zastosowaniu sztucznych inteligencji, bazującej na sieciach neuronowych. Oprócz robota zespół opracował także środowisko symulacyjne, bazujące na środowisku Unity. Ułatwia ono prowadzenie testów urządzenia i jego rozwój częściowo na podstawie syntetycznych danych. Rozwiązanie to zostało docenione nagrodą specjalną podczas konkursu RoboSub w San Diego 2018.

Kolejne wyzwania

Ciągły rozwój projektu i kolejne generacje wynikają z chęci jego usprawnienia oraz sprostania wymaganiom, stawianym pojazdom w różnorodnych konkursach międzynarodowych. Do tej pory dwie ostatnie generacje ROV-a rywalizowały na prestiżowych imprezach RoboSub czy ERL, a w tym roku ROV 4.0 zaprezentuje się także w trakcie singapurskiego SAUVC. Zawody RoboSub odbywają się w San Diego na przełomie lipca/sierpnia i są największymi zawodami autonomicznych pojazdów podwodnych. Projektowane przez KN Robocik drony przystosowane są do wykonywania szeregu zadań takich jak: przepływanie przez bramki, opływanie elementu z określonej strony, manipulacja obiektem, wystrzeliwanie torpedy w stronę celu czy wybór odpowiedniej ścianki boi o kształcie kości do gry. Ekipa PWr Diving Crew do tej pory wzięła udział w dwóch kolejnych edycjach RoboSub, notując w kolejnej edycji wyraźny postęp pod względem liczby zdobytych punktów. W 2018 roku podczas debiutu, łódź ROV 3.0 zdobyła 21 miejsce z wynikiem 750 punktów i otrzymała nagrodę za najlepsze środowisko symulacyjne. W edycji 2019 przy udziale dwukrotnie większej liczby drużyn udało się zdobyć 1999 punktów, ocierając się o udział w ścisłym finale (do którego zabrakło zaledwie kilkunastu punktów). Do tej edycji konkursu zgłoszona została nowa generacja autonomicznej łodzi – ROV 4.0, cechująca się lekką ramą z polipropylenu oraz środkiem korpusu w formie rury ze stopu aluminium 6082, pełniąca rolę lekkiej i szczelnej obudowy dla elektroniki. W 2019 roku, jeszcze z wykorzystaniem ROV 3.0, KN Robocik wzięło udział również w konkursie ERL we włoskiej miejscowości La Spezia. To zawody, których główną tematyką jest ratownictwo z wykorzystaniem pojazdów łączących cechy ROV oraz AUV. Istotne jest „odnalezienie się” łodzi w terenie oraz lokalizacja poszkodowanych. Z konkursu ekipa wróciła z nagrodą za najlepszy debiut. W kolejnych latach Koło planuje dalszą obecność na wspomnianych konkursach i dalszą walkę o finał zawodów w San Diego, a jednocześnie poszukiwanie nowych wyzwań. Istotnym celem na 2020 rok jest impreza SAUVC, która odbędzie się w dniach 3-6 kwietnia w Singapurze. Załoga PWr Diving Crew to jedna z dwóch polskich drużyn spośród 93 ekip z 19 państw, zarejestrowanych do udziału w zawodach. SAUVC obejmuje cztery wyzwania takie jak identyfikacja wizualna, lokalizacja akustyczna, nawigacja czy manipulacja pod wodą. Inne sukcesy koła to nagroda publiczności zdobyta na międzynarodowym konkursie Robotic Tournament w Rybniku, III miejsce w kategorii Freestyle podczas zawodów Robotic Arena we Wrocławiu (w latach 17/18 oraz 18/19), II miejscem w kategorii Freestyle oraz nagrodą publiczności podczas warszawskiego Robomaticonu. Koło zostało też wyróżnione przez parlament studentów RP nagrodą w kategorii „Najlepsze Koło Naukowe w Polsce” podczas konkursu „Pro Juvenes” i nagrodą za najlepszy projekt studencki POTENCJOmetr w kategorii „projekt konstruktorski”. Najnowsze wyróżnienia to I miejsce w konkursie 3MIND, I miejsce w kategorii Środowisko oraz w głosowaniu Internautów w konkursie EkoInnowatorzy i wyróżnienie w kategorii StRuNa-Tech w konkursie StRuNa 2019.

Nie tylko konkursy

Oprócz budowy projektów biorących udział w konkursach, KN Robocik uczestniczy też w szeregu dodatkowych inicjatyw. W roku 2017/18 prowadziło szkolenia z zakresu automatyki, metrologii oraz elektroniki w ramach projektów Zawodowy Dolny Śląsk oraz Technikaliów. W roku 2018/19 brało udział w XV Konferencji Regionalnej pt. „Przedmioty ścisłe w szkole i na studiach”, a także programie Urzędu Marszałkowskiego Województwa Dolnośląskiego pod hasłem „Czas dla zawodowców” i konferencji TEDx Politechniki Wrocławskiej. Kolejny rok to uczestnictwo w Dolnośląskich Dniach Innowacji oraz konferencji Breaking The Surface (Biograd na Moru w Chorwacji). Choć napędza ich ciągła rywalizacja, fundamentalnym celem jest przede wszystkim tworzenie wynalazków wpływających na jakość życia. Praca ekipy PWr Diving Crew jest też odpowiedzią na Rezolucję Zgromadzenia Ogólnego ONZ dotyczącą zrównoważonego rozwoju. Zbudowany przez zespół dron może pomóc w dbaniu o odpowiedni stan wód, przyspieszyć wykrywanie i przeciwdziałanie zagrażającym środowisku awariom oraz wspomóc procesy oczyszczania go. Wspomaga też działania na rzecz klimatu poprzez monitorowanie jego zmian oraz określanie przyczyn takiego stanu rzeczy. Prace badawcze są podstawą dbałości o ochronę środowiska. Woda, również na głębokościach trudno dostępnych dla ludzi, stanowi przede wszystkim środowisko życia wielu organizmów. Mogące poruszać się w tym środowisku autonomiczne pojazdy są więc cennym narzędziem, pozwalającym je poznać. By uzyskać te cele, koło cały czas pracuje nad zastosowaniem najnowszych rozwiązań technologicznych. Kolejne generacje projektu oznaczają istotne zmiany konstrukcyjne, które pozwalają zidentyfikować oraz przystosować pojazd do realizacji kolejnych celów. Autor: Krzysztof Kempski