Robotyka - Robotics

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

Robotyka to interdyscyplinarna dziedzina, która integruje informatykę i inżynierię . Robotyka obejmuje projektowanie, konstrukcję, obsługę i użytkowanie robotów . Celem robotyki jest projektowanie maszyn, które mogą pomagać i pomagać ludziom. Robotyka integruje dziedziny mechaniki , elektrotechniki , inżynierii informacyjnej , mechatroniki , elektroniki , bioinżynierii , inżynierii komputerowej , automatyki , inżynierii oprogramowania , między innymi.

Robotyka tworzy maszyny, które mogą zastąpić ludzi i powielać ludzkie działania. Roboty mogą być używane w wielu sytuacjach i do wielu celów, ale obecnie wiele z nich jest używanych w niebezpiecznych środowiskach (w tym inspekcja materiałów radioaktywnych, wykrywanie i dezaktywacja bomb ), procesach produkcyjnych lub tam, gdzie ludzie nie mogą przetrwać (np. W kosmosie, pod wodą, na ciepło oraz czyszczenie i powstrzymywanie niebezpiecznych materiałów i promieniowania). Roboty mogą przybierać dowolne formy, ale niektóre z nich przypominają ludzi. Mówi się, że pomaga to zaakceptować robota w pewnych replikacyjnych zachowaniach zwykle wykonywanych przez ludzi. Takie roboty próbują naśladować chodzenie, podnoszenie, mowę, funkcje poznawcze lub jakąkolwiek inną ludzką aktywność. Wiele współczesnych robotów jest inspirowanych naturą, wnosząc swój wkład w dziedzinę robotyki inspirowanej biologią .

Niektóre roboty wymagają interwencji użytkownika, aby działać, podczas gdy inne roboty działają autonomicznie. Koncepcja tworzenia robotów, które mogą działać autonomicznie, sięga czasów klasycznych , ale badania nad funkcjonalnością i potencjalnymi zastosowaniami robotów rozwinęły się znacznie dopiero w XX wieku. W całej historii różni uczeni, wynalazcy, inżynierowie i technicy często zakładali, że pewnego dnia roboty będą w stanie naśladować ludzkie zachowanie i zarządzać zadaniami w sposób podobny do człowieka. Obecnie robotyka to szybko rozwijająca się dziedzina, w miarę postępu technologicznego; badanie, projektowanie i konstruowanie nowych robotów służy różnym praktycznym celom, zarówno krajowym , komercyjnym , jak i wojskowym . Wiele robotów jest zbudowanych do wykonywania zadań niebezpiecznych dla ludzi, takich jak rozbrojenie bomb, znajdowanie ocalałych w niestabilnych ruinach oraz eksploracja kopalni i wraków statków. Robotyka jest również wykorzystywana w STEM (nauki ścisłe , technologia , inżynieria i matematyka) jako pomoc dydaktyczna.

Etymologia

Słowo robotyka pochodzi od słowa robot , które zostało wprowadzone do publicznej wiadomości przez czeskiego pisarza Karela Čapka w jego sztuce RUR (Uniwersalne roboty Rossuma) , która została opublikowana w 1920 roku. Słowo robot pochodzi od słowiańskiego słowa robota , które oznacza niewolnika /sługa. Zabawa rozpoczyna się w fabryce, która tworzy sztucznych ludzi zwanych robotami , stworzeniami, które można pomylić z ludźmi - bardzo podobnymi do współczesnych idei androidów . Sam Karel Čapek nie wymyślił tego słowa. Napisał krótki list w odniesieniu do etymologii w Oxford English Dictionary, w którym nazwał swojego brata Josefa Čapka jako faktycznego twórcę.

Według Oxford English Dictionary , słowo robotyka został użyty po raz pierwszy w druku przez Isaac Asimov w swoim science fiction opowiadaniu „Kłamca!” , opublikowany w maju 1941 w Astounding Science Fiction . Asimov nie zdawał sobie sprawy, że ukuł ten termin; skoro nauką i technologią urządzeń elektrycznych jest elektronika , założył, że robotyka odniosła się już do nauki i technologii robotów. W niektórych innych pracach Asimova stwierdza, że ​​po raz pierwszy słowo robotyka zostało użyte w jego opowiadaniu Runaround ( Niesamowita science fiction , marzec 1942), w którym przedstawił swoją koncepcję Trzech praw robotyki . Jednak oryginalna publikacja „Kłamca!” jest o dziesięć miesięcy starszy od „Runaround”, więc to pierwsze jest zwykle cytowane jako pochodzenie tego słowa.

Historia

W 1948 roku Norbert Wiener sformułował zasady cybernetyki , podstawy praktycznej robotyki.

W pełni autonomiczne roboty pojawiły się dopiero w drugiej połowie XX wieku. Pierwszy sterowany cyfrowo i programowalny robot Unimate został zainstalowany w 1961 roku w celu podnoszenia gorących kawałków metalu z maszyny do odlewania ciśnieniowego i układania ich w stos. Roboty komercyjne i przemysłowe są dziś szeroko rozpowszechnione i wykorzystywane do wykonywania zadań taniej, dokładniej i bardziej niezawodnie niż ludzie. Są również zatrudniani przy niektórych pracach, które są zbyt brudne, niebezpieczne lub nudne, aby były odpowiednie dla ludzi. Roboty są szeroko stosowane w produkcji , montażu, pakowaniu i pakowaniu, górnictwie, transporcie, eksploracji ziemi i kosmosu , chirurgii, uzbrojeniu, badaniach laboratoryjnych , bezpieczeństwie i masowej produkcji dóbr konsumpcyjnych i przemysłowych .

Data Znaczenie Nazwa robota Wynalazca
III wiek pne i wcześniejsze Jeden z najwcześniejszych opisów automatów pojawia się w tekście Lie Zi , dotyczącym znacznie wcześniejszego spotkania króla Mu z Zhou (1023–957 pne) z inżynierem mechanikiem znanym jako Yan Shi, „rzemieślnikiem”. Ten ostatni miał rzekomo podarować królowi naturalnej wielkości figurę w kształcie człowieka, wykonaną przez jego mechaniczne dzieło. Yan Shi (chiński: 偃师 )
Pierwszy wiek naszej ery i wcześniejsze Opisy ponad 100 maszyn i automatów, w tym wozu strażackiego, organów wiatrowych, maszyny na monety i silnika parowego, w Pneumatica i Automata autorstwa Herona z Aleksandrii Ktezybius , Filon z Bizancjum , Czapla z Aleksandrii i inni
do. 420 pne Drewniany ptak o napędzie parowym, który potrafił latać Latający gołąb Archytas z Tarentu
1206 Stworzył wczesne humanoidalne automaty, programowalne pasmo automatów Zespół robota, automat do mycia rąk, zautomatyzowane poruszające się pawie Al-Dżazari
1495 Projekty dla humanoidalnego robota Mechaniczny rycerz Leonardo da Vinci
1560 (nieokreślony) Mechaniczny mnich, który miał pod szatą wbudowane mechaniczne stopy, które imitowały chodzenie. Oczy, usta i głowa robota poruszają się w realistycznych gestach. Mechaniczny mnich Leonardo da Vinci
1738 Mechaniczna kaczka, która mogła jeść, trzepotać skrzydłami i wydalać Kaczka trawiąca Jacques de Vaucanson
1898 Nikola Tesla demonstruje pierwszy statek sterowany radiowo. Teleautomaton Nikola Tesla
1921 W sztuce RUR pojawiają się pierwsze fikcyjne automaty zwane „robotami” Roboty uniwersalne Rossum Karel Čapek
1930 Humanoidalny robot wystawiany na Światowych Targach w 1939 i 1940 roku Elektro Westinghouse Electric Corporation
1946 Pierwszy komputer cyfrowy ogólnego przeznaczenia Trąba powietrzna Wiele osób
1948 Proste roboty wykazujące zachowania biologiczne Elsie i Elmer William Grey Walter
1956 Pierwszy robot komercyjny firmy Unimation założonej przez George'a Devola i Josepha Engelbergera , oparty na patentach Devola Unimate George Devol
1961 Pierwszy zainstalowany robot przemysłowy. Unimate George Devol
1967 do 1972 Pierwszy pełnowymiarowy humanoidalny inteligentny robot i pierwszy android . Jego system kontroli kończyn pozwalał chodzić z kończynami dolnymi oraz chwytać i przenosić przedmioty rękami za pomocą czujników dotykowych. Jego system wizyjny pozwalał mierzyć odległości i kierunki do obiektów za pomocą zewnętrznych receptorów, sztucznych oczu i uszu. A jego system konwersacyjny pozwolił mu porozumiewać się z osobą po japońsku za pomocą sztucznych ust. WABOT-1 Uniwersytet Waseda
1973 Pierwszy robot przemysłowy z sześcioma osiami napędzanymi elektromechanicznie Pomocnik magika Grupa robotów KUKA
1974 Pierwszy na świecie elektryczny robot przemysłowy sterowany mikrokomputerem , IRB 6 firmy ASEA, został dostarczony do małej firmy zajmującej się inżynierią mechaniczną w południowej Szwecji. Konstrukcja tego robota została opatentowana już w 1972 roku. IRB 6 Grupa robotów ABB
1975 Programowalne uniwersalne ramię manipulacyjne, produkt Unimation PUMA Victor Scheinman
1978 Pierwszy język programowania robotów na poziomie obiektowym, umożliwiający robotom obsługę zmian położenia obiektu, kształtu i szumu czujnika. Freddy I i II, język programowania robotów RAPT Patricia Ambler i Robin Popplestone
1983 Pierwszy wielozadaniowy, równoległy język programowania używany do sterowania robotem. Był to język sterowany zdarzeniami (EDL) na komputerze procesowym IBM / Series / 1, z implementacją mechanizmów komunikacji między procesami (WAIT / POST) i wzajemnego wykluczania (ENQ / DEQ) do sterowania robotem. ADRIEL I Stevo Bozinovski i Mihail Sestakov

Aspekty robotyczne

Konstrukcja mechaniczna
Aspekt elektryczny
Poziom programowania

Istnieje wiele rodzajów robotów; są używane w wielu różnych środowiskach i do wielu różnych zastosowań. Chociaż są bardzo zróżnicowane pod względem zastosowania i formy, wszystkie mają trzy podstawowe podobieństwa, jeśli chodzi o ich konstrukcję:

  1. Wszystkie roboty mają jakąś konstrukcję mechaniczną, ramę, formę lub kształt zaprojektowane do wykonania określonego zadania. Na przykład robot zaprojektowany do poruszania się po gęstym błocie lub błocie może używać gąsienic . Aspekt mechaniczny to przede wszystkim rozwiązanie twórcy polegające na wykonaniu powierzonego zadania i zajęciu się fizyką otaczającego go środowiska. Forma podąża za funkcją.
  2. Roboty mają elementy elektryczne, które zasilają i sterują maszynami. Na przykład robot z gąsienicami potrzebowałby jakiejś mocy, aby poruszać gąsienicami . Ta moc ma postać energii elektrycznej, która będzie musiała przejść przez przewód i pochodzić z baterii, podstawowego obwodu elektrycznego . Nawet maszyny napędzane benzyną , które czerpią moc głównie z benzyny, nadal wymagają prądu elektrycznego do rozpoczęcia procesu spalania, dlatego większość maszyn zasilanych benzyną, takich jak samochody, ma akumulatory. Elektryczny aspekt robotów jest używany do ruchu (przez silniki), wykrywania (gdzie sygnały elektryczne są używane do pomiaru takich rzeczy, jak ciepło, dźwięk, położenie i stan energii) i działania (roboty potrzebują pewnego poziomu energii elektrycznej dostarczanej do ich silników i czujniki w celu aktywacji i wykonywania podstawowych operacji)
  3. Wszystkie roboty zawierają pewien poziom kodu programowania komputera . Program to sposób, w jaki robot decyduje, kiedy lub jak coś zrobić. W przykładzie gąsienicowym robot, który musi poruszać się po błotnistej drodze, może mieć prawidłową konstrukcję mechaniczną i otrzymywać odpowiednią ilość energii z akumulatora, ale nie ruszyłby nigdzie bez programu nakazującego mu ruch. Programy są podstawową istotą robota, może mieć doskonałą konstrukcję mechaniczną i elektryczną, ale jeśli jego program jest źle skonstruowany, jego wydajność będzie bardzo słaba (lub może nie działać w ogóle). Istnieją trzy różne typy programów robotycznych: zdalne sterowanie, sztuczna inteligencja i hybryda. Robot z programowaniem zdalnego sterowania ma wcześniej istniejący zestaw poleceń, które będzie wykonywał tylko wtedy, gdy i kiedy otrzyma sygnał ze źródła sterowania, zazwyczaj człowieka z pilotem. Być może bardziej właściwe jest postrzeganie urządzeń sterowanych głównie przez ludzkie polecenia jako należące raczej do automatyzacji niż robotyki. Roboty, które wykorzystują sztuczną inteligencję, samodzielnie wchodzą w interakcję ze swoim środowiskiem bez źródła sterowania i mogą określać reakcje na obiekty i problemy, które napotykają, za pomocą istniejącego wcześniej oprogramowania. Hybryda to forma programowania, która zawiera w sobie zarówno funkcje AI, jak i RC.

Aplikacje

Ponieważ coraz więcej robotów jest projektowanych do określonych zadań, ta metoda klasyfikacji staje się coraz bardziej istotna. Na przykład wiele robotów jest zaprojektowanych do prac montażowych, których nie da się łatwo dostosować do innych zastosowań. Nazywa się je „robotami montażowymi”. W przypadku spawania liniowego niektórzy dostawcy dostarczają kompletne systemy spawalnicze z robotem, tj. Sprzęt spawalniczy wraz z innymi urządzeniami do obsługi materiałów, takimi jak obrotnice itp., Jako zintegrowana jednostka. Taki zintegrowany system robotyczny nazywany jest „robotem spawalniczym”, mimo że jego dyskretny manipulator mógłby być dostosowany do różnych zadań. Niektóre roboty są specjalnie zaprojektowane do manipulacji z dużymi ładunkami i są oznaczone jako „roboty do dużych obciążeń”.

Obecne i potencjalne zastosowania obejmują:

składniki

Źródło prądu

InSight Lander z paneli słonecznych, rozmieszczone w pomieszczeniach czystych

Obecnie jako źródło zasilania wykorzystywane są głównie akumulatory (kwasowo-ołowiowe) . Jako źródło zasilania robotów można stosować wiele różnych typów akumulatorów. Obejmują one akumulatory kwasowo-ołowiowe, które są bezpieczne i mają stosunkowo długi okres trwałości, ale są raczej ciężkie w porównaniu do akumulatorów srebrowo-kadmowych, które mają znacznie mniejszą objętość i są obecnie znacznie droższe. Projektując robota zasilanego bateryjnie, należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak bezpieczeństwo, żywotność i waga . Można również zastosować generatory, często jakiś rodzaj silnika spalinowego . Jednak takie konstrukcje są często skomplikowane mechanicznie i wymagają paliwa, wymagają rozpraszania ciepła i są stosunkowo ciężkie. Lina łącząca robota z zasilaniem całkowicie odłączyłaby zasilacz od robota. Ma to tę zaletę, że pozwala zaoszczędzić wagę i miejsce, przenosząc wszystkie elementy generujące energię i magazynujące w inne miejsce. Jednak ten projekt ma wadę polegającą na ciągłym podłączaniu kabla do robota, co może być trudne w zarządzaniu. Potencjalnymi źródłami zasilania mogą być:

Uruchomienie

Siłowniki to „ mięśnie ” robota, części, które zamieniają zmagazynowaną energię w ruch. Zdecydowanie najpopularniejszymi siłownikami są silniki elektryczne, które obracają koło lub przekładnię, oraz siłowniki liniowe, które sterują robotami przemysłowymi w fabrykach. Ostatnio odnotowano postęp w alternatywnych typach siłowników zasilanych energią elektryczną, chemikaliami lub sprężonym powietrzem.

Silniki elektryczne

Zdecydowana większość robotów wykorzystuje silniki elektryczne, często szczotkowane i bezszczotkowe silniki prądu stałego w robotach przenośnych lub silniki prądu przemiennego w robotach przemysłowych i maszynach CNC . Silniki te są często preferowane w układach o mniejszych obciążeniach i gdzie dominującą formą ruchu jest ruch obrotowy.

Siłowniki liniowe

Różne typy siłowników liniowych wsuwają się i wysuwają zamiast obracać i często mają szybsze zmiany kierunku, szczególnie gdy potrzebne są bardzo duże siły, na przykład w robotyce przemysłowej. Zazwyczaj zasilane są sprężonym i utlenionym powietrzem ( siłownik pneumatyczny ) lub olejem ( siłownik hydrauliczny ). Siłowniki liniowe mogą być również zasilane energią elektryczną, która zwykle składa się z silnika i śruby pociągowej. Innym popularnym typem jest mechaniczny siłownik liniowy, który jest obracany ręcznie, taki jak zębatka w samochodzie.

Siłowniki elastyczne szeregowe

Szeregowe uruchamianie sprężyste (SEA) opiera się na pomyśle wprowadzenia zamierzonej elastyczności między siłownikiem silnika a obciążeniem w celu zapewnienia solidnej kontroli siły. Dzięki wynikającej z tego mniejszej bezwładności odbitej, szeregowe uruchamianie sprężyste poprawia bezpieczeństwo, gdy robot wchodzi w interakcję z otoczeniem (np. Ludźmi lub obrabianym przedmiotem) lub podczas kolizji. Ponadto zapewnia również energooszczędność i amortyzację (filtrowanie mechaniczne), jednocześnie zmniejszając nadmierne zużycie przekładni i innych elementów mechanicznych. Podejście to zostało z powodzeniem zastosowane w różnych robotach, w szczególności w zaawansowanych robotach produkcyjnych i robotach humanoidalnych chodzących .

Konstrukcja sterownika siłownika sprężystego szeregowego jest najczęściej wykonywana w ramach pasywności , ponieważ zapewnia bezpieczeństwo interakcji z nieuporządkowanymi środowiskami. Pomimo niezwykłej odporności na stabilność, struktura ta cierpi z powodu rygorystycznych ograniczeń nałożonych na kontroler, które mogą być kompromisem z wydajnością. Czytelnik jest odsyłany do poniższej ankiety, która podsumowuje typowe architektury kontrolerów dla SEA wraz z odpowiednimi warunkami wystarczającej pasywności. W jednym z ostatnich badań wyprowadzono niezbędne i wystarczające warunki pasywności dla jednej z najpowszechniejszych architektur kontroli impedancji , a mianowicie SEA ze źródłem prędkości. Praca ta ma szczególne znaczenie, ponieważ po raz pierwszy wyznacza niekonserwatywne granice pasywności w schemacie SEA, co pozwala na większy wybór korzyści w zakresie kontroli.

Mięśnie powietrzne

Sztuczne mięśnie pneumatyczne, znane również jako mięśnie powietrzne, to specjalne rurki, które rozszerzają się (zwykle do 40%), gdy wtłaczane jest do nich powietrze. Są używane w niektórych aplikacjach robotów.

Drut mięśniowy

Drut mięśniowy, znany również jako stop z pamięcią kształtu, drut Nitinol® lub Flexinol®, to materiał, który kurczy się (poniżej 5%) pod wpływem prądu elektrycznego. Były używane w niektórych małych robotach.

Polimery elektroaktywne

EAP lub EPAM to tworzywo sztuczne, które może znacznie kurczyć się (do 380% napięcia aktywującego) pod wpływem energii elektrycznej i było stosowane w mięśniach twarzy i ramionach robotów humanoidalnych oraz w celu umożliwienia nowym robotom unoszenia się, latania, pływania lub chodzenia.

Silniki piezoelektryczne

Niedawną alternatywą dla silników prądu stałego są silniki piezoelektryczne lub silniki ultradźwiękowe . Działają one na zasadniczo innej zasadzie, w której maleńkie elementy piezoceramiczne , wibrujące wiele tysięcy razy na sekundę, powodują ruch liniowy lub obrotowy. Istnieją różne mechanizmy działania; jeden typ wykorzystuje wibracje elementów piezoelektrycznych do przesuwania silnika po okręgu lub po linii prostej. W innym typie elementy piezoelektryczne powodują drgania nakrętki lub wkręcanie śruby. Zaletami tych silników są rozdzielczość w nanometrach , prędkość i siła dostępna dla ich rozmiaru. Silniki te są już dostępne w handlu i są używane w niektórych robotach.

Elastyczne nanorurki

Elastyczne nanorurki to obiecująca technologia sztucznych mięśni na wczesnym etapie eksperymentalnych prac rozwojowych. Brak defektów w nanorurkach węglowych umożliwia tym włóknom elastyczną deformację o kilka procent, przy poziomach magazynowania energii wynoszących być może 10  J / cm 3 w przypadku nanorurek metalowych. Ludzki biceps można zastąpić drutem o średnicy 8 mm z tego materiału. Takie zwarte „mięśnie” mogą pozwolić przyszłym robotom prześcignąć ludzi i prześcignąć ich.

Wyczuwanie

Czujniki pozwalają robotom na otrzymywanie informacji o pewnym pomiarze środowiska lub komponentów wewnętrznych. Jest to niezbędne, aby roboty mogły wykonywać swoje zadania i reagować na wszelkie zmiany w środowisku w celu obliczenia odpowiedniej odpowiedzi. Wykorzystywane są do różnych form pomiarów, do ostrzegania robotów o bezpieczeństwie lub awariach oraz do dostarczania informacji w czasie rzeczywistym o wykonywanym zadaniu.

Dotknąć

Obecnie ręce robotyczne i protetyczne otrzymują znacznie mniej informacji dotykowych niż ręka ludzka. Niedawne badania doprowadziły do ​​opracowania układu czujników dotykowych, które naśladują właściwości mechaniczne i receptory dotyku ludzkich palców. Matryca czujników jest zbudowana jako sztywny rdzeń otoczony przewodzącym płynem zawartym w elastomerowej powłoce. Elektrody są zamontowane na powierzchni sztywnego rdzenia i są połączone z urządzeniem do pomiaru impedancji w rdzeniu. Kiedy sztuczna skóra dotyka przedmiotu, ścieżka płynu wokół elektrod ulega deformacji, powodując zmiany impedancji, które odwzorowują siły otrzymane od obiektu. Naukowcy spodziewają się, że ważną funkcją takich sztucznych koniuszków palców będzie regulowanie uchwytu robota na trzymanych przedmiotach.

Naukowcy z kilku krajów europejskich i Izraela opracowali w 2009 roku protezę dłoni o nazwie SmartHand, która działa jak prawdziwa - umożliwiając pacjentom pisanie, pisanie na klawiaturze , grę na pianinie i wykonywanie innych drobnych ruchów. Proteza posiada czujniki, które umożliwiają pacjentowi odczuwanie prawdziwego czucia w opuszkach palców.

Wizja

Wizja komputerowa to nauka i technologia maszyn, które widzą. Jako dyscyplina naukowa, wizja komputerowa zajmuje się teorią stojącą za sztucznymi systemami, które wydobywają informacje z obrazów. Dane obrazu mogą przybierać różne formy, takie jak sekwencje wideo i widoki z kamer.

W większości praktycznych zastosowań widzenia komputerowego komputery są wstępnie zaprogramowane, aby rozwiązać określone zadanie, ale metody oparte na uczeniu się stają się obecnie coraz bardziej powszechne.

Komputerowe systemy wizyjne opierają się na czujnikach obrazu, które wykrywają promieniowanie elektromagnetyczne, które zazwyczaj ma postać światła widzialnego lub podczerwieni . Czujniki są projektowane przy użyciu fizyki ciała stałego . Proces, w którym światło rozchodzi się i odbija od powierzchni, wyjaśniono za pomocą optyki . Wyrafinowane czujniki obrazu wymagają nawet mechaniki kwantowej, aby zapewnić pełne zrozumienie procesu tworzenia obrazu. Roboty można również wyposażyć w wiele czujników wizyjnych, aby lepiej obliczać poczucie głębi w środowisku. Podobnie jak ludzkie oczy, „oczy” robotów muszą również być w stanie skupić się na określonym obszarze zainteresowania, a także dostosowywać się do zmian natężenia światła.

Istnieje podobszar w ramach widzenia komputerowego, w którym sztuczne systemy są zaprojektowane tak, aby naśladować przetwarzanie i zachowanie systemu biologicznego na różnych poziomach złożoności. Ponadto niektóre metody oparte na uczeniu się opracowane w ramach widzenia komputerowego mają swoje podłoże w biologii.

Inny

Inne popularne formy wykrywania w robotyce wykorzystują lidar, radar i sonar. Lidar mierzy odległość do celu, oświetlając cel światłem lasera i mierząc odbite światło za pomocą czujnika. Radar wykorzystuje fale radiowe do określania zasięgu, kąta lub prędkości obiektów. Sonar wykorzystuje rozchodzenie się dźwięku do nawigacji, komunikacji lub wykrywania obiektów na lub pod powierzchnią wody.

Manipulacja

Puma, jeden z pierwszych robotów przemysłowych
Baxter, nowoczesny i wszechstronny robot przemysłowy opracowany przez Rodneya Brooksa

Matt Mason podał definicję manipulacji robotami: „manipulacja odnosi się do kontroli agenta nad swoim otoczeniem poprzez selektywny kontakt”.

Roboty muszą manipulować przedmiotami; podnosić, modyfikować, niszczyć lub w inny sposób wywierać wpływ. Zatem funkcjonalne zakończenie ramienia robota przeznaczone do wywołania efektu (czy to ręka, czy narzędzie) jest często określane jako efektory końcowe , podczas gdy „ramię” jest określane jako manipulator . Większość ramion robotów ma wymienne efektory końcowe, z których każdy umożliwia wykonanie niewielkiego zakresu zadań. Niektóre mają stały manipulator, którego nie można wymienić, podczas gdy kilka ma jeden manipulator bardzo ogólnego przeznaczenia, na przykład humanoidalną rękę.

Chwytaki mechaniczne

Jednym z najpowszechniejszych typów efektorów końcowych są „chwytaki”. W swojej najprostszej postaci składa się tylko z dwóch palców, które mogą się otwierać i zamykać, aby podnosić i puszczać szereg małych przedmiotów. Na przykład palce mogą być wykonane z łańcucha, przez który przechodzi metalowy drut. Ręce, które przypominają i działają bardziej jak ludzka ręka, to ręka Cienia i ręka Robonauta . Ręce o średniej złożoności obejmują rękę Delft . Chwytaki mechaniczne mogą występować w różnych typach, w tym ze szczękami ciernymi i obejmującymi. Szczęki cierne wykorzystują całą siłę chwytaka do utrzymywania przedmiotu w miejscu za pomocą tarcia. Obejmujące szczęki utrzymują przedmiot w miejscu, wykorzystując mniejsze tarcie.

Końcówki ssące

Ssące manipulatory, Powered by generatorów próżniowych, są bardzo proste urządzenia ściągający, które mogą przechowywać bardzo dużych obciążeń pod warunkiem, że prehension powierzchnia jest gładka wystarczy do zapewnienia ssania.

Roboty do podnoszenia i umieszczania elementów elektronicznych i dużych obiektów, takich jak szyby samochodowe, często używają bardzo prostych końcówek podciśnieniowych.

Ssanie jest szeroko stosowanym typem efektora końcowego w przemyśle, po części dlatego, że naturalna podatność miękkich końcówek ssących może sprawić, że robot będzie bardziej wytrzymały w obecności niedoskonałej percepcji robota. Jako przykład: rozważmy przypadek systemu wizyjnego robota, który szacuje położenie butelki z wodą, ale ma 1 centymetr błędu. Chociaż może to spowodować przebicie butelki przez sztywny mechaniczny chwytak, miękki ssący efekt końcowy może po prostu lekko się wygiąć i dopasować się do kształtu powierzchni butelki z wodą.

Efekty ogólnego przeznaczenia

Niektóre zaawansowane roboty zaczynają używać w pełni humanoidalnych rąk, takich jak Shadow Hand, MANUS i Schunk . Są to bardzo zręczne manipulatory, posiadające aż 20 stopni swobody i setki czujników dotykowych.

Lokomocja

Roboty toczące się

Segway w Muzeum Robotów w Nagoi

Dla uproszczenia większość robotów mobilnych ma cztery koła lub kilka ciągłych torów . Niektórzy badacze próbowali stworzyć bardziej złożone roboty kołowe z tylko jednym lub dwoma kołami. Mogą one mieć pewne zalety, takie jak większa wydajność i mniej części, a także pozwalają robotowi poruszać się w ograniczonych miejscach, czego nie byłby w stanie robot czterokołowy.

Dwukołowe roboty wyważające

Roboty wyważające zwykle używają żyroskopu do wykrywania, jak bardzo robot spada, a następnie napędzają koła proporcjonalnie w tym samym kierunku, aby zrównoważyć upadek setki razy na sekundę, w oparciu o dynamikę odwróconego wahadła . Zaprojektowano wiele różnych robotów wyważających. Chociaż Segway nie jest powszechnie uważany za robota, można go traktować jako element robota, gdy jest używany jako taki Segway, nazywaj go RMP (Robotic Mobility Platform). Przykładem takiego zastosowania jest jak NASA „s Robonaut zamontowany, która została na Segway.

Jednokołowe roboty wyważające

Jednokołowy robot wyważający jest przedłużeniem dwukołowego robota wyważającego, dzięki czemu może poruszać się w dowolnym kierunku 2D, używając okrągłej kuli jako jedynego koła. Ostatnio zaprojektowano kilka jednokołowych robotów wyważających, takich jak „ Ballbot Uniwersytetu Carnegie Mellon, który jest przybliżoną wysokością i szerokością człowieka, oraz „BallIP” Uniwersytetu Tohoku Gakuin . Ze względu na długi, cienki kształt i możliwość manewrowania w ciasnych przestrzeniach mają one potencjał, aby działać lepiej niż inne roboty w środowiskach z ludźmi.

Roboty z kulistymi kulami

Podjęto kilka prób z robotami, które są całkowicie wewnątrz kulistej kuli, albo przez obracanie ciężarka wewnątrz kuli, albo przez obracanie zewnętrznych skorup kuli. Są one również określane jako bot-kula lub bot-piłka.

Roboty sześciokołowe

Użycie sześciu kół zamiast czterech może zapewnić lepszą trakcję lub przyczepność w terenie zewnętrznym, takim jak kamienista ziemia lub trawa.

Śledzone roboty

Gąsienice czołgu zapewniają jeszcze lepszą przyczepność niż sześciokołowy robot. Koła gąsienicowe zachowują się tak, jakby były wykonane z setek kół, dlatego są bardzo powszechne w robotach terenowych i wojskowych, w których robot musi jeździć po bardzo trudnym terenie. Jednak trudno ich używać w pomieszczeniach, na przykład na dywanach i gładkich podłogach. Przykładem może być Urban Robot „Urbie” NASA.

Chodzenie zastosowane do robotów

Chodzenie to trudny i dynamiczny problem do rozwiązania. Zrobiono kilka robotów, które mogą niezawodnie chodzić na dwóch nogach, jednak żaden z nich nie był jeszcze tak wytrzymały jak człowiek. Przeprowadzono wiele badań na temat chodzenia inspirowanego przez człowieka, takich jak laboratorium AMBER, które zostało założone w 2008 roku przez Wydział Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu A&M w Teksasie. Zbudowano wiele innych robotów, które chodzą na więcej niż dwóch nogach, ponieważ roboty te są znacznie łatwiejsze w budowie. Roboty kroczące mogą być używane na nierównych terenach, co zapewniłoby lepszą mobilność i efektywność energetyczną niż inne metody lokomocji. Zwykle roboty na dwóch nogach mogą dobrze chodzić po płaskich podłogach i czasami wchodzić po schodach . Nikt nie może chodzić po kamienistym, nierównym terenie. Niektóre z wypróbowanych metod to:

Technika ZMP

Punkt zerowy chwila (ZMP) jest algorytm wykorzystywany przez roboty, takich jak Honda „s ASIMO . Pokładzie próbuje komputerowe robota, aby zachować całkowite siły bezwładności (połączenie Ziemi „s grawitacji i przyspieszenia i hamowania chodzenia), dokładnie przeciwne przez podłoga siły reakcji (siła piętrze zepchnięcie na piechotę robota). W ten sposób obie siły znoszą się, nie pozostawiając ani chwili (siła powodująca obrót robota i przewrócenie). Jednak nie jest to dokładnie sposób, w jaki chodzi człowiek, a różnica jest oczywista dla ludzkich obserwatorów, z których niektórzy zauważyli, że ASIMO chodzi tak, jakby potrzebował toalety . Algorytm chodzenia ASIMO nie jest statyczny i używane jest pewne równoważenie dynamiczne (patrz poniżej). Jednak nadal wymaga gładkiej powierzchni do chodzenia.

Skacząc

Kilka robotów, zbudowanych w latach 80. przez Marca Raiberta w MIT Leg Laboratory, z powodzeniem zademonstrowało bardzo dynamiczny chód. Początkowo robot z jedną nogą i bardzo małą stopą mógł pozostać wyprostowany, po prostu podskakując . Ruch jest taki sam, jak w przypadku osoby na drążku pogo . Gdy robot przewróci się na bok, podskoczy nieznacznie w tym kierunku, aby się złapać. Wkrótce algorytm uogólniono na dwie i cztery odnogi. Wykazano, że dwunożny robot działa, a nawet wykonuje salta . Czworonóg wykazano także, które mogłyby kłus , biegać, tempo , i związał. Pełną listę tych robotów można znaleźć na stronie MIT Leg Lab Robots.

Dynamiczne równoważenie (kontrolowane opadanie)

Bardziej zaawansowanym sposobem poruszania się robota jest użycie algorytmu dynamicznego równoważenia, który jest potencjalnie bardziej niezawodny niż technika punktu zerowego momentu, ponieważ stale monitoruje ruch robota i ustawia stopy w celu utrzymania stabilności. Technika ta została niedawno zademonstrowana przez robota Dexter firmy Anybots , który jest tak stabilny, że może nawet skakać. Innym przykładem jest TU Delft Flame .

Dynamika pasywna

Być może najbardziej obiecujące podejście wykorzystuje dynamikę pasywną, w której pęd kołyszących się kończyn jest wykorzystywany do większej wydajności . Wykazano, że całkowicie niezasilane mechanizmy humanoidalne mogą poruszać się po łagodnym zboczu, wykorzystując jedynie grawitację do napędzania. Korzystając z tej techniki, robot musi dostarczyć tylko niewielką ilość mocy silnika, aby przejść po płaskiej powierzchni lub trochę więcej, aby wejść na wzgórze . Ta technika obiecuje uczynić kroczące roboty co najmniej dziesięciokrotnie bardziej wydajnymi niż chodziki ZMP, takie jak ASIMO.

Inne metody lokomocji

Latający

Współczesny samolot pasażerski to w zasadzie latający robot, którym zarządzają dwie osoby. Autopilot może sterować samolotem na każdym etapie podróży, w tym startu, normalnego lotu, a nawet lądowania. Inne roboty latające są niezamieszkane i znane jako bezzałogowe statki powietrzne (UAV). Mogą być mniejsze i lżejsze bez ludzkiego pilota na pokładzie i latać na niebezpieczne terytorium w ramach wojskowych misji obserwacyjnych. Niektórzy mogą nawet strzelać do celów pod dowództwem. Opracowywane są również UAV, które mogą strzelać do celów automatycznie, bez potrzeby wydawania polecenia przez człowieka. Inne roboty latające to pociski manewrujące , Entomopter i mikro-robot helikoptera Epson . Roboty takie jak Air Penguin, Air Ray i Air Jelly mają lżejsze od powietrza ciała, napędzane łopatkami i sterowane przez sonar.

Wąż
Dwa węże robotów. Lewy ma 64 silniki (z 2 stopniami swobody na segment), prawy 10.

Z powodzeniem opracowano kilka robotów wężowych . Naśladując sposób, w jaki poruszają się prawdziwe węże, roboty te mogą poruszać się po bardzo ograniczonych przestrzeniach, co oznacza, że ​​pewnego dnia mogą być używane do wyszukiwania ludzi uwięzionych w zawalonych budynkach. Japoński robot wąż ACM-R5 może nawet nawigować zarówno na lądzie, jak iw wodzie.

Łyżwiarstwo

Opracowano niewielką liczbę robotów łyżwiarskich , z których jeden jest urządzeniem do chodzenia i jazdy na łyżwach obsługującym wiele trybów. Ma cztery nogi z niezasilanymi kołami, które mogą chodzić lub toczyć się. Inny robot, Plen, może używać miniaturowej deskorolki lub wrotek i jeździć po biurku.

Kapucyn, robot wspinaczkowy
Wspinaczka

Do opracowania robotów zdolnych do wspinania się po pionowych powierzchniach zastosowano kilka różnych podejść. Jedno podejście naśladuje ruchy wspinacza na ścianie z wypukłościami; dostosowywanie środka masy i poruszanie każdą kończyną po kolei, aby uzyskać efekt dźwigni. Przykładem tego jest Kapucyn, zbudowany przez dr Ruixiang Zhang z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii. Inne podejście wykorzystuje wyspecjalizowaną metodę gekonów wspinających się po ścianach na palce , które mogą poruszać się po gładkich powierzchniach, takich jak pionowe szkło. Przykłady tego podejścia obejmują Wallbot i Stickybot.

China's Technology Daily poinformował 15 listopada 2008 r., Że dr Li Hiu Yeung i jego grupa badawcza z New Concept Aircraft ( Zhuhai ) Co., Ltd. z powodzeniem opracowali bionicznego robota-gekona o nazwie „ Speedy Freelander ”. Według dr Yeunga, robot-gekon mógł szybko wspinać się po różnych ścianach budynków, poruszać się po ziemi i ścianach oraz chodzić do góry nogami po suficie. Potrafił również dostosować się do powierzchni gładkiego szkła, chropowatych, lepkich lub zakurzonych ścian, a także różnego rodzaju materiałów metalicznych. Może również automatycznie identyfikować i omijać przeszkody. Jego elastyczność i szybkość były porównywalne z naturalnym gekonem. Trzecie podejście polega na naśladowaniu ruchu węża wspinającego się na słup.

Pływanie (Piscine)

Oblicza się, że podczas pływania niektóre ryby mogą osiągnąć sprawność napędową większą niż 90%. Ponadto mogą przyspieszać i manewrować znacznie lepiej niż jakakolwiek sztuczna łódź lub łódź podwodna oraz wytwarzać mniej hałasu i zakłóceń wodnych. Dlatego wielu badaczy zajmujących się robotami podwodnymi chciałoby skopiować ten typ lokomocji. Godnymi uwagi przykładami są Robotic Fish G9 Uniwersytetu Essex Computer Science oraz Robot Tuna zbudowany przez Institute of Field Robotics w celu analizy i matematycznego modelowania ruchu thunniform . Aqua Penguin, zaprojektowany i zbudowany przez Festo w Niemczech, naśladuje opływowy kształt i napęd przednich „płetw” pingwinów . Festo zbudowało również Aqua Ray i Aqua Jelly, które naśladują odpowiednio ruchy manty i meduz.

Robotic Fish: iSplash -II

W 2014 iSplash -II został opracowany przez doktoranta Richarda Jamesa Claphama i prof. Huosheng Hu z Essex University. Była to pierwsza ryba-robot, która była w stanie przewyższyć prawdziwą rybę karangowatą pod względem średniej maksymalnej prędkości (mierzonej w długości ciała / sekundę) i wytrzymałości, a także czasu utrzymywania maksymalnej prędkości. Ta konstrukcja osiągała prędkość pływania 11,6BL / s (tj. 3,7 m / s). Pierwsza wersja, iSplash -I (2014), była pierwszą zrobotyzowaną platformą, na której zastosowano ruch pływania w kształcie karangi na całej długości ciała, który, jak stwierdzono, zwiększa prędkość pływania o 27% w porównaniu z tradycyjnym podejściem ograniczonej fali tylnej.

Żeglarstwo
Autonomiczny robot żaglowy Vaimos

Opracowano również roboty żaglowe do wykonywania pomiarów na powierzchni oceanu. Typowym robotem na łodzi żaglowej jest Vaimos zbudowany przez IFREMER i ENSTA-Bretagne. Ponieważ do napędu robotów żaglowych wykorzystuje się wiatr, energia akumulatorów jest wykorzystywana tylko na potrzeby komputera, komunikacji i siłowników (do strojenia steru i żagla). Jeśli robot jest wyposażony w panele słoneczne, teoretycznie mógłby nawigować w nieskończoność. Dwa główne konkursy żaglówce robotów są WRSC , który odbywa się każdego roku w Europie, a Sailbot .

Interakcja ze środowiskiem i nawigacja

Radar, GPS i lidar są połączone w celu zapewnienia właściwej nawigacji i unikania przeszkód (pojazd opracowany dla 2007 DARPA Urban Challenge )

Chociaż znaczny procent robotów będących obecnie w użyciu jest kontrolowanych przez człowieka lub działających w środowisku statycznym, rośnie zainteresowanie robotami, które mogą działać autonomicznie w dynamicznym środowisku. Roboty te wymagają pewnej kombinacji sprzętu nawigacyjnego i oprogramowania , aby poruszać się w ich otoczeniu. W szczególności nieprzewidziane zdarzenia (np. Ludzie i inne przeszkody, które nie są stacjonarne) mogą powodować problemy lub kolizje. Niektóre wysoce zaawansowane roboty, takie jak ASIMO i robot Meinü, mają szczególnie dobry sprzęt i oprogramowanie do nawigacji. Ponadto, opanowany samochody , Ernst Dickmanns ' sterowników samochód , a wpisy w DARPA Grand Challenge , są zdolne do wykrywania środowiska dobrze, a następnie podejmowaniu decyzji nawigacyjnych na podstawie tych informacji, w tym przez rój autonomicznych robotów. Większość z tych robotów wykorzystuje urządzenie nawigacyjne GPS z punktami drogi, wraz z radarem , czasami w połączeniu z innymi danymi sensorycznymi, takimi jak lidar , kamery wideo i systemy naprowadzania bezwładnościowego w celu lepszej nawigacji między punktami drogi.

Interakcja człowiek-robot

Kismet może wytwarzać różne wyrazy twarzy.

Stan wiedzy w dziedzinie inteligencji sensorycznej robotów będzie musiał się rozwijać o kilka rzędów wielkości, jeśli chcemy, aby roboty pracujące w naszych domach wykraczały poza odkurzanie podłóg. Jeśli roboty mają pracować efektywnie w domach i innych środowiskach nieprzemysłowych, sposób, w jaki są instruowane, jak wykonywać swoją pracę, a zwłaszcza sposób, w jaki zostaną nakazane, będzie miał kluczowe znaczenie. Osoby, które mają z nimi kontakt, mogą mieć niewielkie lub żadne przeszkolenie w zakresie robotyki, dlatego każdy interfejs będzie musiał być niezwykle intuicyjny. Autorzy science fiction zwykle zakładają również, że roboty będą w końcu zdolne do komunikowania się z ludźmi za pomocą mowy , gestów i mimiki twarzy , a nie interfejsu wiersza poleceń . Chociaż mowa byłaby najbardziej naturalnym sposobem komunikowania się człowieka, jest ona nienaturalna dla robota. Prawdopodobnie minie dużo czasu, zanim roboty będą współpracować tak naturalnie, jak fikcyjny C-3PO lub Data of Star Trek, Next Generation .

Rozpoznawanie mowy

Interpretacja ciągły przepływ dźwięków pochodzących od człowieka, w czasie rzeczywistym , jest trudnym zadaniem dla komputera, głównie ze względu na dużą zmienność mowy . To samo słowo wypowiedziane przez tę samą osobę może brzmieć inaczej w zależności od lokalnej akustyki , głośności , poprzedniego słowa, tego, czy rozmówca jest przeziębiony , itp. Staje się jeszcze trudniejsze, gdy mówiący ma inny akcent . Niemniej jednak poczyniono wielkie postępy w tej dziedzinie, odkąd Davis, Biddulph i Balashek zaprojektowali pierwszy „system wprowadzania głosowego”, który rozpoznawał „dziesięć cyfr wypowiedzianych przez jednego użytkownika ze 100% dokładnością” w 1952 r. Obecnie najlepsze systemy potrafią rozpoznawać ciągła, naturalna mowa, do 160 słów na minutę, z dokładnością do 95%. Z pomocą sztucznej inteligencji maszyny mogą dziś używać głosu ludzi do identyfikowania ich emocji, takich jak zadowolenie lub złość

Głos robota

Inne przeszkody istnieją, gdy robot może używać głosu do interakcji z ludźmi. Ze względów społecznych głos syntetyczny okazuje się nieoptymalny jako medium komunikacyjne, przez co konieczne jest rozwijanie emocjonalnego komponentu głosu robota za pomocą różnych technik. Zaletą rozgałęzień dwufonicznych jest emocja, którą robot jest zaprogramowany do wyświetlania, może być przenoszona na taśmie głosowej lub fonem, już zaprogramowanym na nośniku głosowym. Jednym z najwcześniejszych przykładów jest robot uczący o nazwie leachim, opracowany w 1974 roku przez Michaela J. Freemana . Leachim był w stanie przekonwertować pamięć cyfrową na prymitywną mowę werbalną na wcześniej nagranych dyskach komputerowych. Został zaprogramowany do nauczania studentów w Bronksie w Nowym Jorku .

Gesty

Można sobie wyobrazić, jak w przyszłości będzie wyjaśniać szefowi kuchni robotowi, jak zrobić ciasto, lub pytać o drogę funkcjonariusza policji-robota. W obu tych przypadkach wykonywanie gestów dłoni pomogłoby w słownym opisie. W pierwszym przypadku robot rozpoznawałby gesty człowieka i być może powtarzałby je dla potwierdzenia. W drugim przypadku policjant-robot gestem wskazywał „w dół drogi, a następnie skręć w prawo”. Jest prawdopodobne, że gesty będą stanowić część interakcji między ludźmi a robotami. Opracowano bardzo wiele systemów rozpoznawania gestów ludzkich dłoni.

Wyraz twarzy

Wyraz twarzy może dostarczać szybkich informacji zwrotnych na temat postępu dialogu między dwojgiem ludzi, a wkrótce może zrobić to samo w przypadku ludzi i robotów. Hanson Robotics skonstruował twarze robotów przy użyciu ich elastycznego polimeru o nazwie Frubber , umożliwiającego mimikę twarzy dzięki elastyczności gumowej powłoki twarzy i wbudowanym silnikom podpowierzchniowym ( serwomechanizmom ). Powłoka i serwa są zbudowane na metalowej czaszce . Robot powinien wiedzieć, jak podejść do człowieka, oceniając jego wyraz twarzy i język ciała . To, czy dana osoba jest szczęśliwa, przestraszona czy wyglądająca na szaloną, wpływa na rodzaj interakcji, jakiego oczekuje się od robota. Podobnie roboty, takie jak Kismet i nowszy dodatek, Nexi, mogą wytwarzać szereg wyrazów twarzy, umożliwiając mu znaczącą wymianę społeczną z ludźmi.

Sztuczne emocje

Można również generować sztuczne emocje, złożone z sekwencji mimiki i / lub gestów. Jak widać z filmu Final Fantasy: The Spirits Within , programowanie tych sztucznych emocji jest złożone i wymaga dużej ilości obserwacji ze strony człowieka. Aby uprościć to programowanie w filmie, ustawienia wstępne zostały utworzone wraz ze specjalnym programem. Zmniejszyło to ilość czasu potrzebnego na zrobienie filmu. Te ustawienia wstępne mogłyby zostać przeniesione do użytku w prawdziwych robotach. Dobrym przykładem robota ze sztucznymi emocjami jest Robin the Robot opracowany przez armeńską firmę informatyczną Expper Technologies. Jest to pierwszy tego rodzaju robot, który wykorzystuje interakcję peer-to-peer opartą na sztucznej inteligencji. Głównym zadaniem robota jest osiągnięcie dobrego samopoczucia emocjonalnego: pokonanie stresu i niepokoju. Robin został wyszkolony do analizowania mimiki i używania twarzy do pokazywania emocji w kontekście. Początkowo robot został przetestowany przez dzieciaki w klinikach w USA, a obserwacje pokazują, że Robin po spotkaniu i rozmowie zwiększył apetyt i wesołość maluchów.

Osobowość

Wiele robotów science fiction ma osobowość , która może być pożądana lub nie w komercyjnych robotach przyszłości. Niemniej jednak badacze próbują stworzyć roboty, które wydają się mieć osobowość: tj. Używają dźwięków, mimiki i mowy ciała, aby spróbować przekazać stan wewnętrzny, którym może być radość, smutek lub strach. Jednym z komercyjnych przykładów jest Pleo , zabawkowy dinozaur-robot, który może okazywać kilka pozornych emocji.

Inteligencja społeczna

Laboratorium maszyn inteligentnych społecznie w Georgia Institute of Technology bada nowe koncepcje interakcji z robotami w nauczaniu sterowanym. Celem projektów jest robot społeczny, który uczy się zadań i celów z ludzkich demonstracji bez wcześniejszej znajomości pojęć na wysokim poziomie. Te nowe koncepcje opierają się na ciągłych danych z czujników niskiego poziomu i uczeniu się bez nadzoru , a cele zadań są następnie uczone przy użyciu metody bayesowskiej. Koncepcje te można wykorzystać do transferu wiedzy do przyszłych zadań, co skutkuje szybszym uczeniem się tych zadań. Wyniki są przedstawiane przez robota Curi, który może nałożyć trochę makaronu z garnka na talerz i podać sos na wierzchu.

Kontrola

Puppet Magnus , marionetka sterowana robotem ze złożonymi systemami sterowania.
RuBot II może ręcznie
rozpatrywać kostki Rubika.

Mechaniczna konstrukcja robota musi być kontrolowany w celu wykonywania zadań. Sterowanie robotem obejmuje trzy odrębne fazy - percepcję, przetwarzanie i działanie ( paradygmaty robotów ). Czujniki dostarczają informacji o otoczeniu lub samym robocie (np. Położenie jego przegubów lub efektora końcowego). Informacje te są następnie przetwarzane w celu zapisania lub przesłania i obliczenia odpowiednich sygnałów do siłowników ( silników ), które poruszają mechaniką.

Faza przetwarzania może mieć różny stopień złożoności. Na poziomie reaktywnym może przekładać nieprzetworzone informacje z czujnika bezpośrednio na polecenia urządzenia uruchamiającego. Fuzja czujników może być najpierw wykorzystana do oszacowania parametrów będących przedmiotem zainteresowania (np. Pozycji chwytaka robota) na podstawie zaszumionych danych z czujników. Na podstawie tych szacunków wnioskuje się o natychmiastowym zadaniu (takim jak przesunięcie chwytaka w określonym kierunku). Techniki zaczerpnięte z teorii sterowania przekształcają zadanie w polecenia sterujące elementami wykonawczymi.

W dłuższych skalach czasowych lub przy bardziej wyrafinowanych zadaniach robot może potrzebować zbudować i uzasadnić model „poznawczy”. Modele poznawcze próbują przedstawić robota, świat i ich interakcje. Do śledzenia obiektów można wykorzystać rozpoznawanie wzorców i wizję komputerową. Do tworzenia map świata można wykorzystać techniki mapowania . Wreszcie, planowanie ruchu i inne techniki sztucznej inteligencji mogą być wykorzystane do ustalenia, jak postępować. Na przykład planista może dowiedzieć się, jak wykonać zadanie bez uderzania w przeszkody, przewracania się itp.

Poziomy autonomii

TOPIO , humanoidalny robot , grał w ping ponga na Tokyo IREX 2009.

Systemy sterowania mogą również mieć różne poziomy autonomii.

  1. Bezpośrednia interakcja jest wykorzystywana w przypadku urządzeń dotykowych lub teleoperowanych, a człowiek ma prawie całkowitą kontrolę nad ruchem robota.
  2. Tryby wspomagania operatora umożliwiają operatorowi wykonywanie zadań na średnim i wysokim poziomie, a robot automatycznie określa, jak je wykonać.
  3. Autonomiczny robot może działać przez dłuższy czas bez interakcji z człowiekiem. Wyższe poziomy autonomii niekoniecznie wymagają bardziej złożonych zdolności poznawczych. Na przykład roboty w zakładach montażowych są całkowicie autonomiczne, ale działają według ustalonego schematu.

Inna klasyfikacja bierze pod uwagę interakcję między ludzką kontrolą a ruchami maszyny.

  1. Teleoperacja . Człowiek kontroluje każdy ruch, każda zmiana siłownika maszyny jest określana przez operatora.
  2. Nadzorczy. Człowiek określa ogólne ruchy lub zmiany pozycji, a maszyna decyduje o konkretnych ruchach swoich elementów wykonawczych.
  3. Autonomia na poziomie zadań. Operator określa tylko zadanie, a robot sam je wykonuje.
  4. Pełna autonomia. Maszyna będzie tworzyć i wykonywać wszystkie swoje zadania bez udziału człowieka.

Badania

Dwóch inżynierów Laboratorium Napędów Odrzutowych stoi przy trzech pojazdach, porównując rozmiary trzech generacji łazików marsjańskich. Z przodu i pośrodku znajduje się część zapasowa pierwszego łazika marsjańskiego Sojourner , który wylądował na Marsie w 1997 roku w ramach projektu Mars Pathfinder. Po lewej stronie znajduje się pojazd testowy Mars Exploration Rover (MER) będący pracującym rodzeństwem Spirit and Opportunity , który wylądował na Marsie w 2004 roku. Po prawej stronie znajduje się łazik testowy dla Mars Science Laboratory, który wylądował Curiosity na Marsie w 2012 roku. .
Sojourner ma 65 cm długości. Łaziki do eksploracji Marsa (MER) mają 1,6 m (5,2 stopy) długości. Ciekawostka po prawej stronie ma 3 m (9,8 stopy) długości.

Wiele badań w dziedzinie robotyki koncentruje się nie na konkretnych zadaniach przemysłowych, ale na badaniach nowych typów robotów , alternatywnych sposobach myślenia o robotach lub ich projektowaniu oraz nowych sposobach ich wytwarzania. Inne badania, takie jak projekt cyberflora MIT , są prawie całkowicie akademickie.

Pierwszą szczególną innowacją w projektowaniu robotów jest otwarte pozyskiwanie projektów robotów. Aby opisać stopień zaawansowania robota, można użyć terminu „Generacja Roboty”. Termin ten został ukuty przez profesora Hansa Moraveca , głównego naukowca z Carnegie Mellon University Robotics Institute, opisując najbliższą przyszłą ewolucję technologii robotów. Roboty pierwszej generacji , jak przewidział Moravec w 1997 r., Powinny mieć zdolności intelektualne porównywalne z być może jaszczurami i powinny być dostępne do 2010 r. Ponieważ robot pierwszej generacji nie byłby zdolny do uczenia się , jednak Moravec przewiduje, że robot drugiej generacji będzie ulepszeniem w pierwszym i staną się dostępne do 2020 r., z inteligencją być może porównywalną do myszy . Trzecia generacja robota powinna mieć inteligencję porównywalną do tej z małpą . Profesor Moravec przewiduje, że choć roboty czwartej generacji , roboty z ludzką inteligencją, staną się możliwe, nie przewiduje on tego przed około 2040 lub 2050 rokiem.

Drugi to roboty ewolucyjne . Jest to metodologia, która wykorzystuje obliczenia ewolucyjne, aby pomóc w projektowaniu robotów, zwłaszcza kształtu ciała lub kontrolerów ruchu i zachowania . Podobnie jak w przypadku naturalnej ewolucji , duża populacja robotów może w jakiś sposób konkurować lub mierzy się ich zdolność do wykonania zadania za pomocą funkcji sprawności . Te, które osiągają najgorsze wyniki, są usuwane z populacji i zastępowane przez nowy zestaw, który ma nowe zachowania oparte na zachowaniach zwycięzców. Z biegiem czasu populacja się poprawia i ostatecznie może pojawić się zadowalający robot. Dzieje się to bez bezpośredniego programowania robotów przez naukowców. Badacze wykorzystują tę metodę zarówno do tworzenia lepszych robotów, jak i do badania natury ewolucji. Ponieważ proces ten często wymaga symulacji wielu generacji robotów, technika ta może być wykonywana w całości lub w większości w symulacji , przy użyciu pakietu oprogramowania do symulacji robota , a następnie testowana na prawdziwych robotach, gdy opracowane algorytmy będą wystarczająco dobre. Obecnie na całym świecie pracuje około 10 milionów robotów przemysłowych, a Japonia jest największym krajem o dużym zagęszczeniu robotów w swoim przemyśle wytwórczym.

Dynamika i kinematyka

Wideo zewnętrzne
ikona wideo Jak działa zabawka BB-8 Sphero

Badanie ruchu można podzielić na kinematykę i dynamikę . Kinematyka bezpośrednia lub kinematyka do przodu odnosi się do obliczania położenia efektora końcowego, orientacji, prędkości i przyspieszenia, gdy znane są odpowiednie wartości połączenia. Kinematyka odwrotna odnosi się do przypadku odwrotnego, w którym wymagane wartości połączeń są obliczane dla danych wartości efektora końcowego, tak jak to zrobiono w planowaniu ścieżki. Niektóre szczególne aspekty kinematyki obejmują obsługę redundancji (różne możliwości wykonania tego samego ruchu), unikanie kolizji i unikanie osobliwości . Po obliczeniu wszystkich odpowiednich położeń, prędkości i przyspieszeń za pomocą kinematyki , metody z dziedziny dynamiki są wykorzystywane do badania wpływu sił na te ruchy. Dynamika bezpośrednia odnosi się do obliczania przyspieszeń w robocie, gdy znane są przyłożone siły. W symulacjach komputerowych robota wykorzystywana jest dynamika bezpośrednia . Dynamika odwrotna odnosi się do obliczania sił siłownika niezbędnych do wytworzenia zalecanego przyspieszenia efektora końcowego. Informacje te można wykorzystać do ulepszenia algorytmów sterowania robota.

W każdym wymienionym powyżej obszarze naukowcy starają się opracować nowe koncepcje i strategie, udoskonalić istniejące i poprawić interakcje między tymi obszarami. W tym celu należy opracować i wdrożyć kryteria „optymalnej” wydajności i sposobów optymalizacji projektu, struktury i sterowania robotami.

Bionika i biomimetyka

Bionika i biomimetyka wykorzystują fizjologię i metody lokomocji zwierząt do projektowania robotów. Na przykład projekt BionicKangaroo był oparty na sposobie, w jaki skaczą kangury.

Obliczenia kwantowe

Przeprowadzono pewne badania dotyczące tego, czy algorytmy robotyki można uruchamiać szybciej na komputerach kwantowych niż na komputerach cyfrowych . Ten obszar nazwano robotą kwantową.

Edukacja i trening

W SCORBOT-er 4U robotów edukacyjnych

Inżynierowie robotyki projektują roboty, konserwują je, opracowują dla nich nowe aplikacje i prowadzą badania w celu poszerzenia potencjału robotyki. Roboty stały się popularnym narzędziem edukacyjnym w niektórych gimnazjach i liceach, szczególnie w niektórych częściach USA , a także na licznych letnich obozach młodzieżowych, wzbudzając zainteresowanie uczniów programowaniem, sztuczną inteligencją i robotyką.

Szkolenie zawodowe

Uniwersytety takie jak Worcester Polytechnic Institute (WPI) oferują stopnie licencjackie , magisterskie i doktoranckie w dziedzinie robotyki. Szkoły zawodowe oferują szkolenia z robotyki ukierunkowane na karierę w robotyce.

Orzecznictwo

Robotics Certification Standards Alliance (RCSA) to międzynarodowa jednostka certyfikująca robotyki, które nadają różne Przemysł- i edukacyjnych związanych z-robotyki certyfikaty.

Letni obóz robotyki

W kilku krajowych programach obozów letnich robotyka jest częścią ich podstawy programowej. Ponadto znane muzea i instytucje często oferują letnie programy z robotyki dla młodzieży.

Zawody robotyki

Na całym świecie jest wiele konkursów. Program SeaPerch jest skierowany do uczniów w każdym wieku. To jest krótka lista przykładów konkursowych; Pełniejsza lista znajduje się w sekcji Konkurs robotów .

Konkursy dla młodszych dzieci

Organizacja FIRST oferuje zawody FIRST Lego League Jr. dla młodszych dzieci. Celem konkursu jest umożliwienie młodszym dzieciom rozpoczęcia nauki o nauce i technologii. Dzieci biorące udział w tym konkursie budują modele Lego i mają możliwość korzystania z zestawu do robotyki Lego WeDo.

Konkursy dla dzieci w wieku 9-14 lat

Jednymi z najważniejszych zawodów jest FLL czyli FIRST Lego League . Ideą tego konkretnego konkursu jest to, że dzieci zaczynają rozwijać wiedzę i zajmować się robotyką podczas zabawy klockami Lego, odkąd mają dziewięć lat. Konkurs jest powiązany z National Instruments . Dzieci używają klocków Lego Mindstorms do rozwiązywania autonomicznych wyzwań robotyki w tych zawodach.

Konkursy dla młodzieży

PIERWSZY Zadanie techniczne jest przeznaczony dla osób pośrednich jako przejście od PIERWSZEGO Lego League do Robotics konkurencji FIRST .

FIRST Robotics Konkurs skupia się bardziej na konstrukcji mechanicznej, z konkretnej gry są odtwarzane każdego roku. Roboty są budowane specjalnie na potrzeby tegorocznej gry. W trybie match play robot porusza się autonomicznie przez pierwsze 15 sekund gry (chociaż niektóre lata, takie jak Deep Space 2019, zmieniają tę zasadę) i jest obsługiwany ręcznie przez resztę meczu.

Konkursy dla starszych uczniów

Różne konkursy RoboCup obejmują drużyny nastolatków i studentów. Zawody te koncentrują się na zawodach piłkarskich z różnymi typami robotów, zawodach tanecznych oraz miejskich zawodach poszukiwawczo-ratowniczych. Wszystkie roboty biorące udział w tych zawodach muszą być autonomiczne. Niektóre z tych zawodów koncentrują się na symulowanych robotach.

AUVSI organizuje zawody dla robotów latających , łodzi - robotów i robotów podwodnych .

Student AUV Competition Europe (SAUC-E) przyciąga głównie zespoły studentów studiów licencjackich i magisterskich. Podobnie jak w przypadku zawodów AUVSI, roboty muszą być w pełni autonomiczne, gdy biorą udział w zawodach.

Microtransat Challenge to konkurs na przepłynięcie łodzią przez Ocean Atlantycki.

Konkursy otwarte dla każdego

RoboGames jest otwarte dla każdego, kto chce rywalizować w ponad 50 kategoriach zawodów robotów.

Federacja Międzynarodowego Związku Piłki Nożnej Robotów organizuje zawody Pucharu Świata FIRA. Istnieją zawody latających robotów, zawody robotów piłkarskich i inne wyzwania, w tym sztangi do podnoszenia ciężarów wykonane z kołków i płyt CD.

Programy pozaszkolne z robotyki

Wiele szkół w całym kraju zaczyna dodawać programy z robotyki do swoich pozaszkolnych programów nauczania. Niektóre główne programy z zakresu robotyki pozaszkolnej obejmują zawody FIRST Robotics , Botball i BEST Robotics. Konkursy robotyki często obejmują aspekty biznesowe i marketingowe, a także inżynierię i projektowanie.

Firma Lego rozpoczęła program dla dzieci, aby uczyć się robotyki i ekscytować się nią w młodym wieku.

Dekolonialna robotyka edukacyjna

Decolonial Educational Robotics to gałąź Decolonial Technology i Decolonial AI, praktykowana w różnych miejscach na świecie. Metodologia ta jest podsumowana w pedagogicznych teoriach i praktykach, takich jak pedagogika uciskanych i metody Montessori . Ma też na celu nauczenie robotyki z lokalnej kultury, aby pluralizować i mieszać wiedzę technologiczną.

Zatrudnienie

Technik robotów buduje małe roboty terenowe. (Dzięki uprzejmości: MobileRobots, Inc.)

Robotyka jest niezbędnym komponentem w wielu nowoczesnych środowiskach produkcyjnych. Ponieważ fabryki coraz częściej korzystają z robotów, liczba miejsc pracy związanych z robotyką rośnie i obserwuje się stały wzrost. Zastosowanie robotów w przemyśle zwiększyło produktywność i oszczędność i jest zwykle postrzegane jako długoterminowa inwestycja dla dobroczyńców. Artykuł autorstwa Michaela Osborne'a i  Carla Benedikta Freya  wykazał, że 47 procent miejsc pracy w USA jest zagrożonych automatyzacją „w ciągu nieokreślonej liczby lat”. Twierdzenia te były krytykowane na tej podstawie, że polityka społeczna, a nie sztuczna inteligencja, powoduje bezrobocie. W artykule z 2016 roku w The Guardian Stephen Hawking stwierdził: „Automatyzacja fabryk zdziesiątkowała już miejsca pracy w tradycyjnej produkcji, a pojawienie się sztucznej inteligencji prawdopodobnie rozszerzy tę destrukcję na klasy średnie, przy czym tylko najbardziej opiekuńcze, kreatywne lub pozostałe role nadzorcze ”.

Implikacje dla bezpieczeństwa i zdrowia w pracy

Dokument do dyskusji przygotowany przez EU-OSHA podkreśla, w jaki sposób rozprzestrzenianie się robotyki stwarza zarówno szanse, jak i wyzwania w zakresie bezpieczeństwa i higieny pracy (BHP).

Największe korzyści dla BHP wynikające z szerszego stosowania robotyki powinny polegać na zastępowaniu osób pracujących w niezdrowym lub niebezpiecznym środowisku. W kosmosie, obronności, bezpieczeństwie lub przemyśle nuklearnym, ale także w logistyce, konserwacji i inspekcji, autonomiczne roboty są szczególnie przydatne w zastępowaniu pracowników wykonujących brudne, nudne lub niebezpieczne zadania, unikając w ten sposób narażenia pracowników na niebezpieczne czynniki i warunki oraz zmniejszenie zagrożeń fizycznych, ergonomicznych i psychospołecznych. Na przykład roboty są już wykorzystywane do wykonywania powtarzalnych i monotonnych zadań, obsługi materiałów radioaktywnych lub pracy w atmosferach wybuchowych. W przyszłości wiele innych wysoce powtarzalnych, ryzykownych lub nieprzyjemnych zadań będzie wykonywanych przez roboty w różnych sektorach, takich jak rolnictwo, budownictwo, transport, opieka zdrowotna, straż pożarna czy usługi porządkowe.

Pomimo tych postępów istnieją pewne umiejętności, do których ludzie będą przez jakiś czas lepiej przystosowani niż maszyny, a pytanie brzmi, jak osiągnąć najlepszą kombinację umiejętności człowieka i robota. Zalety robotyki obejmują ciężkie prace z precyzją i powtarzalnością, podczas gdy zalety ludzi obejmują kreatywność, podejmowanie decyzji, elastyczność i zdolność adaptacji. Ta potrzeba połączenia optymalnych umiejętności spowodowała, że współpracujące ze sobą roboty i ludzie ściślej dzielili wspólną przestrzeń roboczą i doprowadziła do opracowania nowych podejść i standardów, aby zagwarantować bezpieczeństwo „połączenia człowieka z robotem”. Niektóre kraje europejskie włączają robotykę do swoich programów krajowych i próbują promować bezpieczną i elastyczną współpracę między robotami a operatorami, aby osiągnąć lepszą produktywność. Na przykład niemiecki Federalny Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy ( BAuA ) organizuje coroczne warsztaty na temat „współpraca człowieka z robotem”.

W przyszłości współpraca robotów i ludzi będzie zróżnicowana, roboty zwiększą swoją autonomię, a współpraca człowiek-robot przybędzie zupełnie nowe formy. Obecne podejście i standardy techniczne mające na celu ochronę pracowników przed ryzykiem pracy z robotami współpracującymi będą musiały zostać zrewidowane.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • R. Andrew Russell (1990). Wykrywanie dotykowe robota . Nowy Jork: Prentice Hall. ISBN   978-0-13-781592-0 .
  • E McGaughey, „Czy roboty zautomatyzują Twoją pracę? Pełne zatrudnienie, dochód podstawowy i demokracja ekonomiczna '' (2018) SSRN, część 2 (3)
  • DH Autor, „Dlaczego wciąż jest tak wiele miejsc pracy? The History and Future of Workplace Automation ”(2015) 29 (3) Journal of Economic Perspectives 3
  • Tooze, Adam , „Democracy and Its Discontents”, The New York Review of Books , vol. LXVI, nie. 10 (6 czerwca 2019), s. 52–53, 56–57. „Demokracja nie ma jasnej odpowiedzi na bezmyślne działanie władzy biurokratycznej i technologicznej . Rzeczywiście możemy być świadkami jej rozszerzenia w postaci sztucznej inteligencji i robotyki. Podobnie, po dziesięcioleciach tragicznych ostrzeżeń, problem ochrony środowiska pozostaje zasadniczo nierozwiązany ... Biurokratyczne przesilenie i katastrofa ekologiczna to dokładnie te rodzaje powolnych, egzystencjalnych wyzwań, z którymi demokracje radzą sobie bardzo źle… Wreszcie istnieje zagrożenie du jour: korporacje i technologie, które promują ”. (s. 56–57.)

Linki zewnętrzne