Robotyka

„Robotyk” przekierowuje tutaj. Nie mylić z Cybernetykiem .
Nie mylić z cybernetyką .
System rąk robota Shadow
Robot arm icon.svg
Część serii poświęconej
automatyzacji
Automatyzacja w ogóle
Robotyka i roboty
Wpływ automatyzacji
Targi i nagrody

Robotyka to interdyscyplinarna dziedzina informatyki i inżynierii . Robotyka obejmuje projektowanie, budowę, obsługę i użytkowanie robotów . Celem robotyki jest projektowanie maszyn, które mogą pomagać i asystować ludziom. Robotyka integruje dziedziny inżynierii mechanicznej , elektrotechniki , informatyki , mechatroniki , elektroniki , inżynierii biomedycznej , inżynierii komputerowej , inżynieria systemów sterowania , inżynieria oprogramowania , matematyka itp.

Robotyka opracowuje 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 do kontroli materiałów radioaktywnych, wykrywania i dezaktywacji bomb ), procesów produkcyjnych lub tam, gdzie ludzie nie mogą przeżyć (np. w kosmosie, pod wodą, w wysokich temperaturach). ciepło, oczyszczanie i zabezpieczanie przed niebezpiecznymi materiałami i promieniowaniem). Roboty mogą przybierać dowolne formy, ale niektóre z nich przypominają wyglądem ludzi. Uważa się, że pomaga to w akceptacji robotów w pewnych zachowaniach replikacyjnych, które zwykle są wykonywane przez ludzi. Takie roboty próbują odtworzyć chodzenie, podnoszenie, mowę, funkcje poznawcze lub wszelkie inne zadania wykonywane głównie przez człowieka. Wiele współczesnych robotów jest inspirowanych naturą, przyczyniając się do rozwoju dziedziny robotyka inspirowana biologią .

Niektóre roboty wymagają interwencji użytkownika, podczas gdy inne działają autonomicznie. Koncepcja tworzenia robotów, które mogą działać autonomicznie , sięga czasów klasycznych , ale badania nad funkcjonalnością i potencjalnymi zastosowaniami robotów znacznie się rozwinęły 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 ludzkiego. Obecnie robotyka to szybko rozwijająca się dziedzina, w miarę postępu technologicznego; badania, projektowanie i budowanie nowych robotów służą różnym celom praktycznym, czy to w kraju , komercyjnie lub militarnie . Wiele robotów jest zbudowanych do wykonywania prac niebezpiecznych dla ludzi, takich jak rozbrajanie bomb, znajdowanie ocalałych w niestabilnych ruinach oraz eksploracja min i wraków statków. Robotyka jest również wykorzystywana w STEM ( nauka , 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 , co oznacza pracę /stanowisko. Zabawa rozpoczyna się w fabryce, która produkuje sztucznych ludzi zwanych robotami , stworzeń, które można pomylić z ludźmi – bardzo podobnych do współczesnych idei androidów . Sam Karel Čapek nie wymyślił tego słowa. Napisał krótki list, odnosząc się do etymologii w Oxford English Dictionary , w której jako faktycznego pomysłodawcę wymienił swojego brata Josefa Čapka .

Według Oxford English Dictionary słowo robotyka zostało po raz pierwszy użyte w druku przez Isaaca Asimova w jego opowiadaniu science fiction „Kłamca!” , opublikowane w maju 1941 roku w Astounding Science Fiction . Asimov nie był świadomy, że wymyślił ten termin; skoro nauką i technologią urządzeń elektrycznych jest elektronika , założył, że robotyka odnosi się już do nauki i technologii robotów. W niektórych innych pracach Asimova stwierdza, że ​​​​pierwsze użycie tego słowa robotyka znalazła się w jego opowiadaniu Runaround ( Astounding Science Fiction , marzec 1942), w którym przedstawił swoją koncepcję Trzech praw robotyki . Jednak oryginalna publikacja „Kłamca!” poprzedza słowo „Runaround” o dziesięć miesięcy, więc jako źródło tego słowa powszechnie podaje się to pierwsze.

Historia

Zobacz też: Historia robotów

W 1948 roku Norbert Wiener sformułował zasady cybernetyki , będącej podstawą 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 do niektórych prac, które są zbyt brudne, niebezpieczne lub nudne, aby były odpowiednie dla ludzi. Roboty są szeroko stosowane w produkcji eksploracja ziemi i kosmosu , chirurgia, broń, badania laboratoryjne , bezpieczeństwo oraz masowa produkcja towarów konsumpcyjnych i przemysłowych .

Data Znaczenie Nazwa robota Wynalazca
III wiek pne i wcześniej 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 rzekomo podarował królowi naturalnej wielkości figurę w kształcie człowieka, wykonaną przez jego mechaniczne dzieło. Yan Shi (chiński: 偃师 )
I wiek naszej ery i wcześniej Opisy ponad 100 maszyn i automatów, w tym wozu strażackiego, organów wiatrowych, maszyny na monety i silnika parowego, w Pneumatica and Automata autorstwa Heron of Alexandria Ktesibiusz , Filon z Bizancjum , Czapla z Aleksandrii i inni
C. 420 pne Drewniany ptak o napędzie parowym, który potrafił latać Latający gołąb Archytasa z Tarentu
1206 Stworzył wczesne automaty humanoidalne, programowalny zespół automatów Zespół robotów, automat do mycia rąk, zautomatyzowane poruszające się pawie Al-Dżazari
1495 Projekty humanoidalnego robota Mechaniczny Rycerz Leonardo da Vinci
1560s Mechaniczna Modlitwa, która miała mechaniczne stopy wbudowane pod szaty imitujące chodzenie. Oczy, usta i głowa robota poruszają się realistycznymi gestami. Mechaniczna modlitwa [ potrzebne źródło ] Gianello della Torre
1738 Mechaniczna kaczka, która była w stanie jeść, machać skrzydłami i wydalać trawiąca kaczka Jakuba de Vaucansona
1898 Nikola Tesla demonstruje pierwszy statek sterowany radiowo. Teleautomat Nikola Tesla
1903 Leonardo Torres y Quevedo zaprezentował Telekino w Paryskiej Akademii Nauk , które składało się z robota wykonującego polecenia przesyłane falami elektromagnetycznymi. Telekino Leonarda Torresa i Quevedo
1912 Leonardo Torres y Quevedo buduje pierwszą prawdziwie autonomiczną maszynę zdolną do gry w szachy. W przeciwieństwie do obsługiwanego przez człowieka The Turk and Ajeeb , El Ajedrecista był automatem, który grał w szachy bez ludzkiego przewodnictwa. Rozegrał tylko partię końcową z trzema figurami szachowymi , automatycznie przesuwając białego króla i wieżę , aby zamatować czarnego króla przesuniętego przez ludzkiego przeciwnika. El Ajedrecista Leonarda Torresa i Quevedo
1914 W swoim artykule Essays on Automatics opublikowanym w 1914 roku Leonardo Torres y Quevedo zaproponował maszynę, która dokonuje „osądów” za pomocą czujników przechwytujących informacje z zewnątrz, części manipulujących światem zewnętrznym, takich jak ramiona, źródła zasilania, takie jak baterie i ciśnienie powietrza, oraz najważniejsze, przechwycone informacje i informacje z przeszłości. Jest definiowany jako część, która może kontrolować reakcję żywej istoty zgodnie z zewnętrznymi informacjami i dostosowywać się do zmian w środowisku, aby zmienić swoje zachowanie. Eseje o automatach Leonarda Torresa i Quevedo
1921 W sztuce RUR pojawiają się pierwsze fikcyjne automaty zwane „robotami”. Uniwersalne roboty Rossuma Karol Czapek
1930 Humanoidalny robot wystawiany na Wystawach Światowych w 1939 i 1940 roku elektro Korporacja elektryczna Westinghouse
1946 Pierwszy komputer cyfrowy ogólnego przeznaczenia Trąba powietrzna Wiele osób
1948 Proste roboty wykazujące zachowania biologiczne Elsie i Elmer Williama Graya Waltera
1956 Pierwszy komercyjny robot firmy Unimation założonej przez George'a Devola i Josepha Engelbergera , oparty na patentach Devola Unimat George'a Devola
1961 Pierwszy zainstalowany robot przemysłowy. Unimat George'a Devola
1967 do 1972 Pierwszy pełnowymiarowy inteligentny robot humanoidalny i pierwszy android . Jego system kontroli kończyn pozwalał mu chodzić kończynami dolnymi oraz chwytać i przenosić przedmioty rękami za pomocą czujników dotykowych. Jego system wizyjny pozwalał mu mierzyć odległości i kierunki do obiektów za pomocą zewnętrznych receptorów, sztucznych oczu i uszu. A jego system konwersacji pozwalał mu komunikować się z osobą po japońsku, ze sztucznymi ustami. 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 firmy Unimation PUMA Wiktora Scheinmana
1978 Pierwszy język programowania robotów na poziomie obiektów, umożliwiający robotom radzenie sobie ze zmianami położenia, kształtu i szumów czujników. Freddy I i II, język programowania robotów RAPT Patricia Ambler i Robin Popplestone
1983 Po pierwsze wielozadaniowość, równoległy język programowania używany do sterowania robotami. Był to język sterowany zdarzeniami (EDL) na komputerze procesowym IBM/Series/1, z implementacją mechanizmów komunikacji między procesami (WAIT/POST) i mechanizmów wzajemnego wykluczania (ENQ/DEQ) do sterowania robotem. ADRIEL I Stevo Bozinovski i Mihail Sestakov

Aspekty robotyki

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 zaprojektowany do wykonania określonego zadania. Na przykład robot przeznaczony do poruszania się po ciężkich ziemiach lub błocie może wykorzystywać gąsienice . Mechaniczny aspekt robota to przede wszystkim rozwiązanie twórcy dotyczące wykonania powierzonego mu zadania i radzenia sobie z fizyką otaczającego go środowiska. Forma podąża za funkcją.
  2. Roboty mają komponenty elektryczne, które zasilają i kontrolują maszyny. Na przykład robot z gąsienicami potrzebowałby pewnego rodzaju mocy, aby przesunąć gąsienice gąsienic. Ta moc ma postać elektryczności, która będzie musiała przejść przez przewód i pochodzić z baterii, podstawowego obwodu elektrycznego . Nawet maszyny napędzane benzyną które czerpią energię głównie z benzyny, nadal potrzebują prądu elektrycznego, aby rozpocząć proces spalania, dlatego większość maszyn napędzanych benzyną, takich jak samochody, ma akumulatory. Elektryczny aspekt robotów jest używany do ruchu (poprzez silniki), wykrywania (gdzie sygnały elektryczne są wykorzystywane do pomiaru takich rzeczy jak ciepło, dźwięk, pozycja i stan energii) oraz 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 komputerowego . Program to sposób, w jaki robot decyduje, kiedy lub jak coś zrobić. W przykładzie z gąsienicą robot, który musi poruszać się po błotnistej drodze, może mieć prawidłową konstrukcję mechaniczną i otrzymywać odpowiednią ilość energii z akumulatora, ale nie byłby w stanie nigdzie się udać bez programu, który każe mu się ruszyć. Programy są podstawową istotą robota, może on mieć doskonałą konstrukcję mechaniczną i elektryczną, ale jeśli jego program jest źle ustrukturyzowany, jego wydajność będzie bardzo słaba (lub może nie działać wcale). Istnieją trzy różne typy programów robotów: zdalne sterowanie, sztuczna inteligencja i hybryda. Robot z zdalnego sterowania ma wcześniej istniejący zestaw poleceń, które wykona tylko wtedy, gdy otrzyma sygnał ze źródła sterowania, zwykle człowieka z pilotem. Być może bardziej odpowiednie jest postrzeganie urządzeń sterowanych głównie za pomocą ludzkich poleceń jako należących do dyscypliny automatyzacji, a nie robotyki. Roboty wykorzystujące sztuczną inteligencję samodzielnie wchodzą w interakcje ze swoim otoczeniem bez źródła sterowania i mogą określać reakcje na napotkane obiekty i problemy, korzystając z wcześniej istniejącego 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 bardziej odpowiednia. Na przykład wiele robotów zaprojektowano do prac montażowych, których adaptacja do innych zastosowań może nie być łatwa. Nazywa się je „robotami montażowymi”. W przypadku spawania liniowego niektórzy dostawcy dostarczają kompletne systemy spawalnicze wraz z robotem, tj. sprzętem spawalniczym wraz z innymi urządzeniami do obsługi materiałów, takimi jak stoły obrotowe itp., jako zintegrowaną jednostkę. Taki zintegrowany system robotyczny nazywany jest „robotem spawalniczym”, mimo że jego dyskretny manipulator można dostosować do różnych zadań. Niektóre roboty są specjalnie zaprojektowane do manipulowania dużymi ładunkami i są oznaczone jako „roboty do dużych obciążeń”.

Obecne i potencjalne zastosowania obejmują:

składniki

Źródło prądu

Dalsze informacje: Zasilanie i magazynowanie energii
Lądownik InSight z panelami słonecznymi rozmieszczonymi w pomieszczeniu czystym

Obecnie jako źródło zasilania wykorzystuje się głównie akumulatory (kwasowo-ołowiowe). Wiele różnych rodzajów akumulatorów może być wykorzystywanych jako źródło zasilania robotów. Obejmują one akumulatory kwasowo-ołowiowe, które są bezpieczne i mają stosunkowo długi okres przydatności do spożycia, ale są raczej ciężkie w porównaniu do akumulatorów srebrno-kadmowych, które mają znacznie mniejszą objętość i są obecnie znacznie droższe. Projektując robota zasilanego bateryjnie, należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak bezpieczeństwo, cykl życia i waga . Generatory, często jakiś rodzaj silnika spalinowego , może być również używany. Jednak takie konstrukcje są często skomplikowane mechanicznie i wymagają paliwa, rozpraszania ciepła i są stosunkowo ciężkie. Uwięź łącząca robota z zasilaczem całkowicie odcięłaby zasilanie od robota. Ma to tę zaletę, że oszczędza wagę i miejsce dzięki przeniesieniu wszystkich komponentów do wytwarzania energii i przechowywania w inne miejsce. Jednak ta konstrukcja ma wadę polegającą na ciągłym podłączeniu kabla do robota, co może być trudne w zarządzaniu. Potencjalnymi źródłami zasilania mogą być:

Uruchomienie

Główny artykuł: siłownik
Robotyczna noga napędzana mięśniami powietrznymi

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

Silniki elektryczne

Główny artykuł: silnik elektryczny

Zdecydowana większość robotów wykorzystuje silniki elektryczne , często szczotkowe i bezszczotkowe silniki prądu stałego w robotach przenośnych lub silniki prądu przemiennego w robotach przemysłowych i maszynach CNC . Silniki te są często preferowane w systemach z mniejszymi obciążeniami i gdzie dominującą formą ruchu jest ruch obrotowy.

Siłowniki liniowe

Główny artykuł: Siłownik liniowy

Różne typy siłowników liniowych poruszają się do wewnątrz i na zewnątrz zamiast obracania się i często mają szybsze zmiany kierunku, szczególnie gdy potrzebne są bardzo duże siły, na przykład w robotyce przemysłowej. Zazwyczaj są zasilane 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 powszechnym typem jest mechaniczny siłownik liniowy, który jest obracany ręcznie, na przykład zębatka w samochodzie.

Seria elastycznych siłowników

Szeregowe uruchamianie elastyczne (SEA) opiera się na idei wprowadzenia celowej elastyczności między siłownikiem silnikowym a obciążeniem w celu zapewnienia niezawodnej kontroli siły. Ze względu na wynikającą z tego niższą odbitą bezwładność, elastyczne uruchamianie szeregowe poprawia bezpieczeństwo, gdy robot wchodzi w interakcję z otoczeniem (np. ludźmi lub przedmiotami obrabianymi) lub podczas kolizji. Ponadto zapewnia również efektywność energetyczną 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 chodzących robotach humanoidalnych .

Projekt sterownika szeregowego siłownika elastycznego jest najczęściej wykonywany w ramach pasywności , ponieważ zapewnia bezpieczeństwo interakcji z nieustrukturyzowanymi środowiskami. Pomimo swojej niezwykłej stabilności i solidności, ramy te cierpią z powodu surowych ograniczeń nałożonych na kontroler, które mogą obniżać wydajność. Czytelnika odsyłamy do poniższej ankiety, która podsumowuje wspólne architektury kontrolerów dla SEA wraz z odpowiadającymi im wystarczającej pasywności. W jednym z ostatnich badań wyprowadzono niezbędne i wystarczające warunki bierności dla jednego z najczęstszych kontroli impedancji , a mianowicie SEA oparty na prędkości. Ta praca ma szczególne znaczenie, ponieważ po raz pierwszy wyznacza niekonserwatywne granice pasywności w schemacie SEA, co pozwala na większy wybór wzmocnień kontroli.

Mięśnie powietrzne

Główny artykuł: Pneumatyczne sztuczne mięśnie

Pneumatyczne sztuczne mięśnie, znane również jako mięśnie powietrzne, to specjalne rurki, które rozszerzają się (zwykle do 42%), gdy wtłacza się do nich powietrze. Są używane w niektórych aplikacjach robotów.

Mięśnie druciane

Główny artykuł: Stop z pamięcią kształtu

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

Polimery elektroaktywne

Główny artykuł: Polimery elektroaktywne

EAP lub EPAM to tworzywo sztuczne, które może znacznie kurczyć się (do 380% naprężenia aktywacyjnego) pod wpływem elektryczności i było stosowane w mięśniach twarzy i ramionach robotów humanoidalnych oraz umożliwia nowym robotom unoszenie się, latanie, pływanie lub chodzenie.

Silniki piezoelektryczne

Główny artykuł: silnik piezoelektryczny

Najnowsze alternatywy dla silników prądu stałego to silniki piezoelektryczne lub silniki ultradźwiękowe . Działają one na zupełnie innej zasadzie, w której maleńkie piezoceramiczne , wibrując wiele tysięcy razy na sekundę, powodują ruch liniowy lub obrotowy. Istnieją różne mechanizmy działania; jeden typ wykorzystuje wibracje elementów piezoelektrycznych do obracania silnika po okręgu lub linii prostej. Inny typ wykorzystuje elementy piezoelektryczne do wprawiania nakrętki w drgania lub wkręcania śruby. Zaletami tych silników są nanometry rozdzielczość, szybkość i dostępna siła dla ich rozmiaru. Silniki te są już dostępne na rynku i są używane w niektórych robotach.

Elastyczne nanorurki

Dalsze informacje: Nanorurka węglowa

Elastyczne nanorurki to obiecująca technologia sztucznych mięśni na wczesnym etapie rozwoju eksperymentalnego. Brak defektów w nanorurkach węglowych umożliwia elastyczne odkształcenie tych włókien o kilka procent, przy poziomie magazynowania energii około 10 J /cm 3 dla nanorurek metalowych. Ludzkie bicepsy można by zastąpić drutem o średnicy 8 mm z tego materiału. Taki zwarty „mięsień” może pozwolić przyszłym robotom na prześcignięcie i pokonanie ludzi.

Wyczuwanie

Główne artykuły: Czujniki robotyczne i Czujniki robotyczne

Czujniki pozwalają robotom otrzymywać informacje o pewnym pomiarze środowiska lub wewnętrznych komponentów. Jest to niezbędne, aby roboty wykonywały swoje zadania i działały na wszelkie zmiany w środowisku, aby obliczyć odpowiednią reakcję. Służą do różnych form pomiarów, ostrzegania robotów o bezpieczeństwie lub awariach oraz dostarczania w czasie rzeczywistym informacji o wykonywanym zadaniu.

Dotykać

Główny artykuł: czujnik dotykowy

Obecne roboty i protezy dłoni są znacznie mniej dotykowe więcej informacji niż ludzka ręka. W ramach ostatnich badań opracowano tablicę czujników dotykowych, która naśladuje właściwości mechaniczne i receptory dotykowe opuszków palców człowieka. Układ czujników jest skonstruowany jako sztywny rdzeń otoczony przewodzącym płynem zawartym w elastomerowej skórze. Elektrody są zamontowane na powierzchni sztywnego rdzenia i połączone z urządzeniem do pomiaru impedancji wewnątrz rdzenia. Kiedy sztuczna skóra dotyka przedmiotu, ścieżka płynu wokół elektrod ulega deformacji, powodując zmiany impedancji, które odwzorowują siły odbierane od obiektu. Naukowcy spodziewają się, że ważną funkcją takich sztucznych koniuszków palców będzie regulacja chwytu robota na trzymanych przedmiotach.

Naukowcy z kilku krajów europejskich i Izraela opracowali w 2009 roku protezę dłoni, zwaną SmartHand, która działa jak prawdziwa ręka — pozwala pacjentom pisać nią, pisać na klawiaturze , grać na pianinie i wykonywać inne subtelne ruchy. Proteza posiada czujniki, dzięki którym pacjent może wyczuć prawdziwe czucie w opuszkach palców.

Dalsze informacje: Mapa sensoryczno-motoryczna

Wizja

Główny artykuł: Wizja komputerowa
Zobacz też: Jednostka przetwarzania wizji

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

W większości praktycznych zastosowań wizji komputerowej komputery są wstępnie zaprogramowane do rozwiązywania określonego zadania, 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 występuje w postaci światła widzialnego lub podczerwieni . Czujniki zostały zaprojektowane z wykorzystaniem 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 mogą być również wyposażone w wiele czujników wizyjnych, aby lepiej obliczać poczucie głębi w otoczeniu. Podobnie jak ludzkie oczy, „oczy” robotów muszą być w stanie skupić się na określonym obszarze zainteresowania, a także dostosować się do zmian natężenia światła.

W wizji komputerowej istnieje poddziedzina, w której sztuczne systemy są projektowane w celu naśladowania przetwarzania i zachowania systemu biologicznego na różnych poziomach złożoności. Ponadto niektóre metody oparte na uczeniu się opracowane w ramach wizji komputerowej mają doświadczenie 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 światło odbite za pomocą czujnika. Radar wykorzystuje fale radiowe do określania zasięgu, kąta lub prędkości obiektów. Sonar wykorzystuje propagację dźwięku do nawigacji, komunikacji lub wykrywania obiektów na powierzchni wody lub pod nią.

Manipulacja

Robot przemysłowy KUKA pracujący w odlewni
Puma, jeden z pierwszych robotów przemysłowych
Baxter, nowoczesny i wszechstronny robot przemysłowy opracowany przez Rodneya Brooksa
Lefty, pierwszy robot grający w warcaby
Dalsze informacje: Mobilny manipulator

Definicja manipulacji robotami została przedstawiona przez Matta Masona jako: „manipulacja odnosi się do kontroli agenta nad jego otoczeniem poprzez selektywny kontakt”.

Roboty muszą manipulować przedmiotami; podnosić, modyfikować, niszczyć ani w inny sposób wywierać wpływu. Tak więc funkcjonalny koniec ramienia robota przeznaczony do wywołania efektu (ręka lub narzędzie) jest często określany jako efektor końcowy , podczas gdy „ramię” jest określane jako manipulator . Większość ramion robotów ma wymienne efektory końcowe, z których każdy pozwala im wykonywać pewien niewielki zakres zadań. Niektórzy mają stały manipulator, którego nie można wymienić, a niektórzy mają jeden manipulator ogólnego przeznaczenia, na przykład humanoidalną rękę.

Chwytaki mechaniczne

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

Efektory końcowe ssące

Efektory końcowe ssące, zasilane generatorami podciśnienia, są bardzo prostymi urządzeniami ściągającymi, które mogą przenosić bardzo duże obciążenia, pod warunkiem, że powierzchnia chwytna jest wystarczająco gładka, aby zapewnić ssanie.

Roboty typu „podnieś i umieść” elementy elektroniczne i duże przedmioty, takie jak przednie szyby samochodów, często wykorzystują bardzo proste próżniowe chwytaki końcowe.

Ssanie jest często używanym 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 pozycję butelki z wodą, ale ma 1 centymetr błędu. Chociaż może to spowodować przebicie butelki z wodą przez sztywny chwytak mechaniczny, miękka końcówka ssąca może po prostu lekko się wygiąć i dopasować do kształtu powierzchni butelki z wodą.

Efektory ogólnego przeznaczenia

Niektóre zaawansowane roboty zaczynają używać w pełni humanoidalnych rąk, takich jak Shadow Hand, MANUS i Schunk. To wysoce zręczne manipulatory, dysponujące aż 20 stopniami swobody i setkami sensorów dotykowych.

Lokomocja

Główne artykuły: lokomocja robota i robot mobilny

Toczące się roboty

Segway w muzeum robotów w Nagoi

Dla uproszczenia większość robotów mobilnych ma cztery koła lub kilka ciągłych gąsienic . Niektórzy badacze próbowali stworzyć bardziej złożone roboty kołowe z jednym lub dwoma kołami. Mogą one mieć pewne zalety, takie jak większa wydajność i mniejsza liczba części, a także umożliwiać robotowi nawigację w ciasnych miejscach, w których robot czterokołowy nie byłby w stanie.

Roboty balansujące na dwóch kołach

Roboty równoważące zwykle używają żyroskopu do wykrywania, jak bardzo robot spada, a następnie napędzają koła proporcjonalnie w tym samym kierunku, aby zrównoważyć upadek z setkami razy na sekundę, w oparciu o dynamikę odwróconego wahadła . Zaprojektowano wiele różnych robotów balansujących. Chociaż Segway nie jest powszechnie uważany za robota, można go traktować jako element robota, gdy jest używany jako taki Segway odnosi się do nich jako RMP (Robotic Mobility Platform). Przykładem takiego zastosowania był Robonauta NASA który został zamontowany na Segwayu.

Jednokołowe roboty balansujące
Główny artykuł: Samobalansujący monocykl

Jednokołowy robot równoważący jest przedłużeniem dwukołowego robota równoważącego, dzięki czemu może poruszać się w dowolnym kierunku 2D, używając okrągłej kuli jako jedynego koła. Ostatnio zaprojektowano kilka jednokołowych robotów równoważących, takich jak „ Ballbot ” Uniwersytetu Carnegie Mellon , który ma przybliżony wzrost i szerokość osoby, oraz „BallIP” Uniwersytetu Tohoku Gakuin . Ze względu na długi, smukły kształt i zdolność manewrowania w ciasnych przestrzeniach mogą one działać lepiej niż inne roboty w środowiskach z ludźmi.

Roboty sferyczne
Główny artykuł: sferyczny robot

Podjęto kilka prób w robotach, które są całkowicie wewnątrz kulistej kuli, albo przez obracanie ciężarka wewnątrz kuli, albo przez obracanie zewnętrznych powłok kuli. Nazywano je również botem-orbem lub botem-piłką.

Roboty sześciokołowe

Korzystanie z sześciu kół zamiast czterech może zapewnić lepszą trakcję lub przyczepność w terenie zewnętrznym, takim jak kamienisty grunt lub trawa.

Śledzone roboty
Roboty wojskowe TALON używane przez armię Stanów Zjednoczonych

Gąsienice czołgów zapewniają jeszcze lepszą przyczepność niż sześciokołowy robot. Koła gąsienicowe zachowują się tak, jakby były zrobione z setek kół, dlatego są bardzo powszechne w robotach terenowych i wojskowych, gdzie robot musi poruszać się po bardzo nierównym terenie. Jednak są one trudne do stosowania w pomieszczeniach, na przykład na dywanach i gładkich podłogach. Przykłady obejmują miejskiego robota NASA „Urbie”.

Chodzenie zastosowane do robotów

Chodzenie jest trudnym i dynamicznym problemem do rozwiązania. Stworzono kilka robotów, które mogą niezawodnie chodzić na dwóch nogach, jednak żaden nie został jeszcze stworzony, który byłby tak wytrzymały jak człowiek. Przeprowadzono wiele badań nad chodzeniem inspirowanym przez człowieka, na przykład laboratorium AMBER, które zostało założone w 2008 roku przez Wydział Inżynierii Mechanicznej na Texas A&M University. 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 nierównym terenie, co zapewni lepszą mobilność i efektywność energetyczną niż inne metody poruszania się. Zazwyczaj roboty na dwóch nogach mogą dobrze chodzić po płaskich podłogach i czasami mogą chodzić schody . Nikt nie może chodzić po skalistym, nierównym terenie. Niektóre z wypróbowanych metod to:

technika ZMP
Główny artykuł: Punkt zerowy momentu

Punkt zerowy (ZMP) to algorytm używany przez roboty, takie jak ASIMO Hondy . Komputer pokładowy robota stara się utrzymać całkowite siły bezwładności (połączenie ziemskiej grawitacji oraz przyspieszenia i opóźnienia chodzenia), dokładnie przeciwstawne sile reakcji podłogi (siła nacisku podłogi na stopę robota). W ten sposób obie siły znoszą się, nie pozostawiając żadnej chwili (siła powodująca obracanie się robota i przewracanie się). Jednak nie jest to dokładnie sposób chodzenia człowieka, 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 stosuje pewne dynamiczne równoważenie (patrz poniżej). Jednak nadal wymaga gładkiej powierzchni do chodzenia.

Skakanie

Kilka robotów, zbudowanych w latach 80. przez Marca Raiberta w MIT Leg Laboratory, z powodzeniem zademonstrowało bardzo dynamiczny chód. Początkowo robot z tylko jedną nogą i bardzo małą stopą mógł utrzymać się w pozycji pionowej, po prostu podskakując . Ruch jest taki sam, jak ruch osoby na drążku pogo . Gdy robot upada na bok, podskakuje lekko w tym kierunku, aby się złapać. Wkrótce algorytm został uogólniony na dwie i cztery nogi. Zademonstrowano dwunożnego robota biegającego, a nawet wykonującego salta . czworonog _ wykazano również, co potrafi kłusować , biegać, biec i wiązać. Pełną listę tych robotów można znaleźć na stronie MIT Leg Lab Robots.

Równoważenie dynamiczne (kontrolowane opadanie)

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

Dynamika pasywna
Główny artykuł: dynamika pasywna

Być może najbardziej obiecujące podejście wykorzystuje bierną dynamikę , w której pęd wymachujących kończyn jest wykorzystywany do zwiększenia wydajności . Wykazano, że całkowicie pozbawione napędu humanoidalne mechanizmy mogą schodzić po łagodnym zboczu, wykorzystując jedynie grawitację do napędzania się. Korzystając z tej techniki, robot potrzebuje tylko niewielkiej mocy silnika, aby chodzić po płaskiej powierzchni lub trochę więcej, aby wejść na wzgórze . Technika ta ma sprawić, że chodzące roboty będą co najmniej dziesięciokrotnie wydajniejsze niż chodziki ZMP, takie jak ASIMO.

Inne sposoby poruszania się

Latający

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

Wężowy
Dwa węże robotów. Lewy ma 64 silniki (o 2 stopniach swobody na segment), prawy 10.

Z powodzeniem opracowano kilka robotów wężowych . Naśladując sposób poruszania się prawdziwych węży, roboty te mogą poruszać się po bardzo ciasnych przestrzeniach, co oznacza, że ​​pewnego dnia mogą zostać użyte do wyszukiwania ludzi uwięzionych w zawalonych budynkach. Japoński robot-wąż ACM-R5 może poruszać się nawet po lądzie i wodzie.

Łyżwiarstwo

niewielką liczbę robotów jeżdżących na łyżwach , z których jeden to wielotrybowe urządzenie do chodzenia i jazdy na łyżwach. Ma cztery nogi z kołami bez napędu, które mogą chodzić lub toczyć się. Inny robot, Plen, może używać miniaturowej deskorolki lub rolek 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 człowieka na ścianie z występami; dostosowując środek ciężkości i poruszając po kolei każdą kończyną, aby uzyskać efekt dźwigni. Przykładem tego jest Kapucyn, zbudowany przez dr Ruixianga Zhanga na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii. Inne podejście wykorzystuje wyspecjalizowaną metodę palców u gekonów wspinających się po ścianach , które mogą biegać po gładkich powierzchniach, takich jak pionowe szkło. Przykładami takiego podejścia są Wallbot i Stickybot.

China's Technology Daily doniósł 15 listopada 2008 r., że dr Li Hiu Yeung i jego grupa badawcza z New Concept Aircraft ( Zhuhai ) Co., Ltd. pomyślnie opracowali bionicznego robota gekona o nazwie „ Speedy Freelander Według dr Yeunga robot gekon mógł szybko wspinać się w górę i w dół po różnych ścianach budynków, poruszać się w szczelinach gruntu i ścian oraz chodzić do góry nogami po suficie. Był również w stanie przystosować się do gładkich powierzchni szkło, chropowate, lepkie lub zakurzone ściany, a także różnego rodzaju materiały metalowe. Potrafił również automatycznie identyfikować i omijać przeszkody. Jego elastyczność i szybkość były porównywalne z naturalnym gekonem. Trzecim podejściem jest naśladowanie ruchu węża wspinającego się po Polak.

pływanie (ryby)

Oblicza się, że podczas pływania niektóre ryby mogą osiągnąć sprawność napędową większą niż 90%. Co więcej, mogą przyspieszać i manewrować znacznie lepiej niż jakakolwiek sztuczna łódź lub łódź podwodna , a także wytwarzają mniej hałasu i zakłóceń wody. Dlatego wielu badaczy badających roboty podwodne chciałoby naśladować ten rodzaj lokomocji. Godnymi uwagi przykładami są Essex University Computer Science Robotic Fish G9 i Robot Tuna zbudowany przez Institute of Field Robotics w celu analizy i matematycznego modelowania ruchu Thunniform . Aqua Penguin, zaprojektowany i zbudowany przez Festo z Niemiec, kopiuje opływowy kształt i napęd przednich „płetw” pingwinów . Festo zbudowało również Aqua Ray i Aqua Jelly, które naśladują poruszanie się odpowiednio manty i meduzy.

Robotyczna ryba: iSplash -II

W 2014 roku iSplash -II został opracowany przez doktoranta Richarda Jamesa Claphama i prof. Huosheng Hu z Essex University. Była to pierwsza zrobotyzowana ryba , która była w stanie przewyższyć prawdziwą rybę carangiform pod względem średniej maksymalnej prędkości (mierzonej w długości ciała na sekundę) i wytrzymałości, czyli czasu utrzymywania maksymalnej prędkości. Ta konfiguracja osiągnęła prędkość pływania 11,6 BL/s (tj. 3,7 m/s). Pierwsza wersja, iSplash -I (2014) była pierwszą platformą robotyczną, w której zastosowano carangiform na całej długości ciała ruch pływacki, który, jak stwierdzono, zwiększa prędkość pływania o 27% w porównaniu z tradycyjnym podejściem z tylnym ograniczonym kształtem fali.

Żeglarstwo
Autonomiczny robot żaglowy Vaimos

Opracowano również roboty żaglowe w celu dokonywania pomiarów na powierzchni oceanu. Typowym robotem żaglowym jest Vaimos zbudowany przez IFREMER i ENSTA-Bretagne. Ponieważ napęd robotów żaglowych wykorzystuje wiatr, energia akumulatorów jest wykorzystywana tylko do komputera, komunikacji i siłowników (do regulacji steru i żagla). Jeśli robot jest wyposażony w panele słoneczne, mógłby teoretycznie nawigować w nieskończoność. Dwa główne zawody robotów żaglowych to WRSC , które odbywają się co roku w Europie, oraz Sailbot .

Interakcja ze środowiskiem i nawigacja

Główne artykuły: mapowanie robotów i nawigacja robotów
Radar, GPS i lidar są połączone w celu zapewnienia właściwej nawigacji i unikania przeszkód (pojazd opracowany na potrzeby DARPA Urban Challenge 2007 ).

Chociaż znaczny odsetek robotów używanych obecnie jest sterowany przez człowieka lub działa w środowisku statycznym, rośnie zainteresowanie robotami, które mogą działać autonomicznie w środowisku dynamicznym. Te roboty wymagają pewnej kombinacji sprzętu nawigacyjnego i oprogramowania, aby przemierzać swoje otoczenie. W szczególności nieprzewidziane zdarzenia (np. ludzie i inne przeszkody, które nie są nieruchome) mogą powodować problemy lub kolizje. Niektóre wysoce zaawansowane roboty, takie jak ASIMO i robot Meinü, mają szczególnie dobry sprzęt i oprogramowanie do nawigacji robotów. Również, samokontrolujące się samochody , samochód bez kierowcy Ernsta Dickmannsa oraz zgłoszenia do DARPA Grand Challenge są w stanie dobrze wyczuwać otoczenie, a następnie podejmować decyzje nawigacyjne na podstawie tych informacji, w tym przez rój autonomicznych robotów. Większość z tych robotów wykorzystuje GPS z punktami nawigacyjnymi, wraz z radarem , czasem w połączeniu z innymi danymi sensorycznymi, takimi jak lidar , kamery wideo i bezwładnościowe systemy naprowadzania dla lepszej nawigacji między punktami trasy.

Interakcja człowiek-robot

Główny artykuł: Interakcja człowiek-robot
Kismet może wytworzyć szereg wyrazów twarzy.

Jeśli chcemy, aby roboty pracujące w naszych domach wykraczały poza odkurzanie podłóg, stan techniki w zakresie inteligencji sensorycznej robotów będzie musiał wzrosnąć o kilka rzędów wielkości. Jeśli roboty mają skutecznie pracować w domach i innych środowiskach nieprzemysłowych, sposób, w jaki zostaną poinstruowane, aby wykonywały swoją pracę, a zwłaszcza w jaki sposób zostaną poinstruowane, aby się zatrzymały, będzie miał kluczowe znaczenie. Ludzie, którzy z nimi wchodzą w interakcje, mogą mieć niewielkie lub żadne przeszkolenie w zakresie robotyki, dlatego każdy interfejs będzie musiał być niezwykle intuicyjny. Autorzy science fiction zazwyczaj zakładają również, że roboty będą w końcu zdolne do komunikowania się z ludźmi za pomocą mowy , gesty i mimika zamiast interfejsu wiersza poleceń . Chociaż mowa byłaby najbardziej naturalnym sposobem komunikacji dla człowieka, jest ona nienaturalna dla robota. Prawdopodobnie minie dużo czasu, zanim roboty będą wchodzić w interakcje tak naturalnie, jak fikcyjny C-3PO lub Data of Star Trek, Next Generation . Mimo że obecny stan robotyki nie spełnia standardów tych robotów z science-fiction, medialne postacie robotów (np. Wall-E, R2-D2) mogą wzbudzić sympatię publiczności, która zwiększy gotowość ludzi do zaakceptowania prawdziwych robotów w przyszłości. Akceptacja robotów społecznych prawdopodobnie wzrośnie, jeśli ludzie będą mogli spotkać robota społecznego w odpowiednich warunkach. Badania wykazały, że interakcja z robotem poprzez patrzenie, dotykanie, a nawet wyobrażanie sobie interakcji z robotem może zmniejszyć negatywne uczucia, jakie niektórzy ludzie mają na temat robotów przed interakcją z nimi. Jeśli jednak wcześniej istniejące negatywne nastroje są szczególnie silne, interakcja z robotem może je zwiększyć.

Rozpoznawanie mowy

Główny artykuł: Rozpoznawanie mowy

Interpretacja ciągłego przepływu dźwięków wydawanych przez 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 mówiący jest przeziębiony itp . Jeszcze trudniej jest, 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 wypowiadanych przez jednego użytkownika ze 100% dokładnością” w 1952 r. Obecnie najlepsze systemy mogą rozpoznać ciągła, naturalna mowa, do 160 słów na minutę, z dokładnością do 95%. Z pomocą sztucznej inteligencji maszyny mogą dziś wykorzystywać głos ludzi zidentyfikować swoje emocje, takie jak zadowolenie lub złość.

Głos robota

Istnieją inne przeszkody, gdy pozwala się robotowi używać głosu do interakcji z ludźmi. Ze względów społecznych głos syntetyczny okazuje się nieoptymalny jako środek komunikacji, co powoduje konieczność rozwijania emocjonalnego komponentu głosu robota za pomocą różnych technik. Zaletą rozgałęzień dyfonicznych jest emocja, którą robot jest zaprogramowany do wyświetlania, może być przenoszona na taśmę głosową lub fonem, już wstępnie zaprogramowany 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 podstawową mowę werbalną na wcześniej nagranych dyskach komputerowych. Został zaprogramowany do nauczania uczniów w Bronx, Nowy Jork .

Gesty

Dalsze informacje: Rozpoznawanie gestów

Można sobie wyobrazić, że w przyszłości będzie się tłumaczyć robotowi-kucharzowi, jak zrobić ciasto, albo pytać o drogę policjanta-robota. W obu tych przypadkach wykonywanie gestów dłoni pomogłoby w opisach słownych. W pierwszym przypadku robot rozpoznawałby gesty wykonywane przez człowieka i być może powtarzał je w celu potwierdzenia. W drugim przypadku policjant-robot gestem wskazywałby „w dół drogi, a następnie skręcić w prawo”. Jest prawdopodobne, że gesty będą stanowić część interakcji między ludźmi a robotami. Opracowano wiele systemów rozpoznawania gestów ludzkich rąk.

Wyraz twarzy

Dalsze informacje: Rozpoznawanie emocji

Wyraz twarzy może zapewnić szybką informację zwrotną na temat postępu dialogu między dwoma ludźmi, a wkrótce może być w stanie zrobić to samo w przypadku ludzi i robotów. Twarze robotów zostały skonstruowane przez firmę Hanson Robotics przy użyciu ich elastycznego polimeru o nazwie Frubber , umożliwiającego dużą liczbę wyrazów twarzy dzięki elastyczności gumowej powłoki twarzy i wbudowanym silnikom podpowierzchniowym ( serwomotorom ). Powłoka i serwa zbudowane są na metalowej czaszce . Robot powinien wiedzieć, jak podejść do człowieka, oceniając go po wyrazie twarzy i mowie ciała . To, czy dana osoba jest szczęśliwa, przestraszona czy wygląda na szaloną, wpływa na typ interakcji, jakiej oczekuje się od robota. Podobnie roboty, takie jak Kismet i nowszy dodatek, Nexi, mogą wytwarzać szereg wyrazów twarzy, umożliwiając mu znaczące wymiany społeczne z ludźmi.

Sztuczne emocje

sztuczne emocje , złożone z sekwencji mimiki lub gestów. Jak widać z filmu Final Fantasy: The Spirits Within , programowanie tych sztucznych emocji jest złożone i wymaga dużej ilości obserwacji człowieka. Aby uprościć to programowanie w filmie, stworzono ustawienia wstępne wraz ze specjalnym oprogramowaniem. Zmniejszyło to ilość czasu potrzebnego do zrobienia filmu. Te ustawienia wstępne mogłyby zostać przeniesione do użytku w rzeczywistych robotach. Przykładem robota ze sztucznymi emocjami jest Robot Robin opracowany przez Ormianina Firma informatyczna Expper Technologies, która wykorzystuje interakcję peer-to-peer opartą na sztucznej inteligencji. Jej głównym zadaniem jest osiągnięcie dobrego samopoczucia emocjonalnego, czyli pokonanie stresu i niepokoju. Robin został przeszkolony w analizowaniu wyrazu twarzy i używaniu twarzy do wyrażania emocji w kontekście. Robot został przetestowany przez dzieci w amerykańskich klinikach, a obserwacje pokazują, że Robin zwiększył apetyt i radość dzieci po spotkaniu i rozmowie.

Osobowość

Wiele robotów z science fiction ma osobowość , co może, ale nie musi być pożądane w komercyjnych robotach przyszłości. Niemniej jednak naukowcy próbują stworzyć roboty, które wydają się mieć osobowość, tj. używają dźwięków, wyrazu twarzy i języka ciała, aby spróbować przekazać stan wewnętrzny, którym może być radość, smutek lub strach. Jednym z komercyjnych przykładów jest Pleo , zabawkowy dinozaur-robot, który może wykazywać kilka widocznych emocji.

Inteligencja społeczna

Laboratorium Maszyn Inteligentnych Społecznie Georgia Institute of Technology bada nowe koncepcje interakcji z robotami w nauczaniu kierowanym. Celem projektów jest robot społeczny , który uczy się zadań i celów z demonstracji ludzi bez wcześniejszej znajomości koncepcji wysokiego poziomu. Te nowe koncepcje opierają się na ciągłych danych z czujników niskiego poziomu poprzez uczenie się bez nadzoru , a cele zadań są następnie uczone przy użyciu podejścia bayesowskiego. Koncepcje te można wykorzystać do przeniesienia wiedzy do przyszłych zadań, co skutkuje szybszym uczenie się tych zadań. Wyniki są demonstrowane przez robota Curi , który może nabrać trochę makaronu z garnka na talerz i podać sos na wierzchu.

Kontrola

Puppet Magnus , manipulowana robotem marionetka ze złożonymi systemami sterowania
Eksperymentalne płaskie ramię robota i oparty na czujnikach kontroler robota o otwartej architekturze, opracowane na Uniwersytecie Sunderland w Wielkiej Brytanii w 2000 r.
RuBot II może ręcznie układać kostki Rubika.
Dalsze informacje: System sterowania

Struktura mechaniczna robota musi być kontrolowana, aby wykonywać zadania. Sterowanie robotem obejmuje trzy odrębne fazy – percepcję , przetwarzanie i działanie ( paradygmaty robotyki ). Czujniki dostarczają informacji o otoczeniu lub samym robocie (np. o położeniu jego przegubów czy efektorze końcowym). Informacje te są następnie przetwarzane w celu ich zapisania lub przesłania oraz obliczenia odpowiednich sygnałów do siłowników ( silników ), które poruszają konstrukcję mechaniczną w celu uzyskania wymaganego skoordynowanego ruchu lub działania siły.

Faza przetwarzania może mieć różny stopień złożoności. Na poziomie reaktywnym może przekładać surowe informacje z czujnika bezpośrednio na polecenia siłownika (np. wyzwalanie elektronicznych bramek mocy silnika w oparciu o sygnały sprzężenia zwrotnego enkodera w celu osiągnięcia wymaganego momentu obrotowego/prędkości wału). Fuzja czujników i modele wewnętrzne mogą być najpierw wykorzystane do oszacowania interesujących parametrów (np. pozycji chwytaka robota) na podstawie zaszumionych danych z czujników. Natychmiastowe zadanie (takie jak przesuwanie chwytaka w określonym kierunku, aż do wykrycia obiektu przez czujnik zbliżeniowy) jest czasem wywnioskowane z tych szacunków. Techniki z teorii sterowania są na ogół używane do przekształcania zadań wyższego poziomu w indywidualne polecenia sterujące siłownikami, najczęściej przy użyciu kinematycznych i dynamicznych modeli konstrukcji mechanicznej.

W dłuższych skalach czasowych lub przy bardziej wyrafinowanych zadaniach robot może potrzebować zbudować i rozumować za pomocą modelu „poznawczego”. Modele kognitywne próbują reprezentować robota, świat i ich interakcje. Rozpoznawanie wzorców i wizja komputerowa mogą być wykorzystywane do śledzenia obiektów. mapowania mogą być wykorzystywane do tworzenia map świata. Wreszcie, planowanie ruchu i inne techniki sztucznej inteligencji mogą być wykorzystane do ustalenia, jak działać. Na przykład planista może dowiedzieć się, jak wykonać zadanie bez uderzania w przeszkody, przewracania się itp.

Nowoczesne komercyjne systemy sterowania robotami są bardzo złożone, integrują wiele czujników i efektorów, mają wiele oddziałujących stopni swobody (DOF) i wymagają interfejsów operatora, narzędzi programistycznych i możliwości pracy w czasie rzeczywistym. Często są one połączone z szerszymi sieciami komunikacyjnymi, aw wielu przypadkach są teraz zarówno IoT , jak i mobilne. Postęp w kierunku otwartej architektury, warstwowych, przyjaznych dla użytkownika i „inteligentnych” połączonych robotów opartych na czujnikach wyłonił się z wcześniejszych koncepcji związanych z elastycznymi systemami produkcyjnymi (FMS) oraz kilku „otwartych lub „hybrydowych” architektur referencyjnych istnieją, które pomagają twórcom oprogramowania i sprzętu do sterowania robotami wyjść poza tradycyjne, zaproponowano wcześniejsze koncepcje „zamkniętych” systemów sterowania robotami. Mówi się, że kontrolery o otwartej architekturze są w stanie lepiej sprostać rosnącym wymaganiom szerokiego grona użytkowników robotów, w tym twórców systemów, użytkowników końcowych i naukowców, i są lepiej przygotowane do dostarczania zaawansowanych koncepcji robotyki związanych z Przemysłem 4.0 . Oprócz wykorzystania wielu uznanych funkcji kontrolerów robotów, takich jak sterowanie pozycją, prędkością i siłą efektorów końcowych, umożliwiają one również wzajemne połączenie IoT oraz wdrożenie bardziej zaawansowanych technik łączenia czujników i sterowania, w tym sterowania adaptacyjnego, sterowania rozmytego i sztucznej sieci neuronowej Kontrola oparta na (SSN). Wdrożone w czasie rzeczywistym techniki takie mogą potencjalnie poprawić stabilność i wydajność robotów działających w nieznanych lub niepewnych środowiskach, umożliwiając systemom sterowania uczenie się i dostosowywanie do zmian środowiskowych. Istnieje kilka przykładów architektur referencyjnych dla kontrolerów robotów, a także przykłady udanych implementacji rzeczywistych kontrolerów robotów opracowanych na ich podstawie. Jeden przykład ogólnej architektury referencyjnej i powiązanej, wzajemnie połączonej implementacji robota i kontrolera o otwartej architekturze został opracowany przez Michaela Shorta i współpracownikami z University of Sunderland w Wielkiej Brytanii w 2000 r. (na zdjęciu po prawej). Robot był używany w wielu badaniach i badaniach rozwojowych, w tym w prototypowej implementacji nowatorskich, zaawansowanych i inteligentnych metod sterowania i mapowania środowiska w czasie rzeczywistym.

Poziomy autonomii

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

Systemy sterowania mogą również mieć różne poziomy autonomii.

  1. dotykowych lub zdalnie sterowanych wykorzystywana jest bezpośrednia interakcja , a człowiek ma niemal całkowitą kontrolę nad ruchem robota.
  2. Tryby wspomagania operatora polegają na tym, że operator kieruje zadaniami o średnim lub wysokim poziomie, a robot automatycznie zastanawia się, jak je osiągnąć.
  3. Autonomiczny robot może działać bez interakcji z człowiekiem przez dłuższy czas. 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 uwzględnia interakcję między sterowaniem człowieka a ruchami maszyny.

  1. Teleoperacja . Człowiek kontroluje każdy ruch, każdą zmianę siłownika maszyny określa operator.
  2. Nadzorczy. Człowiek określa ogólne ruchy lub zmiany pozycji, a maszyna decyduje o konkretnych ruchach swoich siłowników.
  3. Autonomia na poziomie zadania. Operator określa tylko zadanie, a robot sam radzi sobie z jego wykonaniem.
  4. Pełna autonomia. Maszyna stworzy i wykona wszystkie swoje zadania bez udziału człowieka.

Badania

Dalsze informacje: Robotyka open source , Robotyka ewolucyjna , Obszary robotyki i Symulator robotyki
Dwóch inżynierów Jet Propulsion Laboratory stoi z trzema pojazdami, porównując rozmiary trzech generacji łazików marsjańskich. Przód i środek to część lotnicza 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), który jest działającym bratem Spirit i Opportunity , które wylądowały na Marsie w 2004 roku. Po prawej stronie znajduje się łazik testowy dla Mars Science Laboratory, które wylądowało na Marsie w 2012 roku. Przybysz _ ma 65 cm (2,13 stopy) długości. Łaziki Mars Exploration Rover (MER) mają długość 1,6 m (5,2 stopy). Curiosity po prawej ma 3 metry długości.

Wiele badań w robotyce 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 w całości akademickie.

Pierwszą szczególną nową innowacją w projektowaniu robotów jest otwarte pozyskiwanie projektów robotów. Na określenie stopnia zaawansowania robota można posłużyć się terminem „Generation Robots”. Termin ten został ukuty przez profesora Hansa Moraveca , głównego naukowca w Instytucie Robotyki Uniwersytetu Carnegie Mellon, który opisuje ewolucję technologii robotów w niedalekiej przyszłości. Roboty pierwszej generacji , przewidywał Moravec w 1997 r., powinny mieć zdolności intelektualne porównywalne być może z jaszczurką i powinny być dostępne do 2010 r. Ponieważ roboty pierwszej generacji robot nie byłby w stanie się uczyć , jednak Moravec przewiduje, że robot drugiej generacji będzie ulepszeniem w stosunku do pierwszej i stanie się dostępny do 2020 r., a jego inteligencja może być porównywalna z inteligencją myszy . Robot trzeciej generacji powinien mieć inteligencję porównywalną z małpą . Chociaż czwartej generacji , roboty z ludzką inteligencją, jak przewiduje profesor Moravec, staną się możliwe, nie przewiduje, że stanie się to 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 konkurować w jakiś sposób lub ich zdolność do wykonania zadania jest mierzona za pomocą funkcji sprawności . Te, które wypadły najgorzej, są usuwane z populacji i zastępowane przez nowy zestaw, który ma nowe zachowania oparte na zachowaniach zwycięzców. Z czasem populacja się poprawia iw końcu może pojawić się zadowalający robot. Dzieje się tak bez bezpośredniego programowania robotów przez naukowców. Naukowcy wykorzystują tę metodę zarówno do tworzenia lepszych robotów, jak i do badania natury ewolucji. Ponieważ proces często wymaga symulacji wielu generacji robotów, technika ta może być wykonywana w całości lub w większości w symulacji , przy użyciu symulatora robota pakiet oprogramowania, a następnie przetestowany na prawdziwych robotach, gdy opracowane algorytmy będą wystarczająco dobre. Obecnie na całym świecie pracuje około 10 milionów robotów przemysłowych, a Japonia jest krajem o wysokim zagęszczeniu wykorzystania robotów w przemyśle wytwórczym. [ potrzebne źródło ]

Dynamika i kinematyka

Dalsze informacje: Kinematyka i dynamika (mechanika)
Zewnętrzne wideo
video icon Jak działa zabawka BB-8 Sphero

Nauki o 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 przegubów. Kinematyka odwrotna odnosi się do odwrotnego przypadku, w którym wymagane wartości przegubów są obliczane dla danych wartości efektora końcowego, tak jak ma to miejsce w przypadku planowania ścieżki. Niektóre szczególne aspekty kinematyki obejmują obsługę redundancji (różne możliwości wykonania tego samego ruchu), kolizji i osobliwości . Po obliczeniu wszystkich istotnych 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. Dynamika bezpośrednia jest wykorzystywana w symulacjach komputerowych robota. Dynamika odwrotna odnosi się do obliczenia sił siłownika niezbędnych do uzyskania określonego przyspieszenia efektora końcowego. Informacje te można wykorzystać do ulepszenia algorytmów sterowania robota.

W każdym z wyżej wymienionych obszarów badacze dążą do opracowania nowych koncepcji i strategii, udoskonalenia istniejących oraz poprawy interakcji między tymi obszarami. W tym celu należy opracować i wdrożyć kryteria „optymalnej” wydajności oraz sposoby optymalizacji projektu, struktury i sterowania robotami.

Bionika i biomimetyka

Bionika i biomimetyka stosują fizjologię i metody poruszania się zwierząt do projektowania robotów. Na przykład projekt BionicKangaroo został oparty na sposobie, w jaki skaczą kangury.

Obliczenia kwantowe

Przeprowadzono badania nad tym, czy algorytmy robotyki mogą działać szybciej na komputerach kwantowych niż na komputerach cyfrowych . Obszar ten został nazwany robotyką kwantową.

Edukacja i trening

Główny artykuł: Robotyka edukacyjna
Robot edukacyjny SCORBOT -ER 4u

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

Zatrudnienie

Technik-robot buduje małe roboty terenowe (dzięki uprzejmości: MobileRobots, Inc.).
Główny artykuł: Bezrobocie technologiczne

Robotyka jest niezbędnym elementem wielu nowoczesnych środowisk produkcyjnych. Ponieważ fabryki coraz częściej wykorzystują roboty, liczba miejsc pracy związanych z robotyką rośnie i obserwuje się stały wzrost. Zatrudnienie robotów w przemyśle zwiększyło produktywność i oszczędności w zakresie wydajności i jest zazwyczaj postrzegane jako długoterminowa inwestycja dla dobroczyńców. Artykuł autorstwa Michaela Osborne'a i Carla Benedikta Freya odkryli, 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 już zdziesiątkowała miejsca pracy w tradycyjnej produkcji, a rozwój sztucznej inteligencji prawdopodobnie rozszerzy tę likwidację miejsc pracy w głąb klasy średniej, przy czym tylko najbardziej troskliwi, kreatywni lub funkcje nadzorcze pozostające”.

Według raportu GlobalData z września 2021 r., przemysł robotyki był wart 45 miliardów dolarów w 2020 r., a do 2030 r. będzie rósł w tempie skumulowanej rocznej stopy wzrostu (CAGR) na poziomie 29% do 568 mld dolarów, napędzając miejsca pracy w robotyce i branżach pokrewnych.

Implikacje dla bezpieczeństwa i higieny pracy

Główny artykuł: Bezpieczeństwo robotyki w miejscu pracy

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

Największymi korzyściami BHP wynikającymi z szerszego wykorzystania robotyki powinno być zastępowanie osób pracujących w niezdrowych lub niebezpiecznych środowiskach. W przemyśle kosmicznym, obronnym, bezpieczeństwa lub nuklearnym, ale także w logistyce, konserwacji i inspekcjach 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 ograniczenie zagrożeń fizycznych, ergonomicznych i psychospołecznych. Na przykład roboty są już wykorzystywane do wykonywania powtarzalnych i monotonnych zadań, do obsługi materiałów radioaktywnych lub do 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, służba zdrowia, straż pożarna czy usługi sprzątające.

Co więcej, istnieją pewne umiejętności, do których ludzie będą lepiej przystosowani przez jakiś czas niż maszyny, a pytanie brzmi, jak osiągnąć najlepszą kombinację umiejętności człowieka i robota. Zalety robotyki obejmują wykonywanie ciężkich zadań z precyzją i powtarzalnością, podczas gdy zalety ludzi obejmują kreatywność, podejmowanie decyzji, elastyczność i zdolność adaptacji. Ta potrzeba łączenia optymalnych umiejętności doprowadziła do tego, że roboty współpracujące i ludzie ściślej współdzielą wspólną przestrzeń roboczą i doprowadziła do opracowania nowych podejść i standardów gwarantujących bezpieczeństwo „fuzji człowieka z robotem”. Niektóre kraje europejskie włączają robotykę do swoich programów krajowych i starają się promować bezpieczną i elastyczną współpracę między robotami a operatorami w celu osiągnięcia lepszej produktywności. Na przykład Niemiecki Federalny Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy ( BAuA ) organizuje coroczne warsztaty na temat „współpracy człowieka z robotem”.

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

Doświadczenie użytkownika

Doskonałe doświadczenie użytkownika przewiduje potrzeby, doświadczenia, zachowania, zdolności językowe i poznawcze oraz inne czynniki każdej grupy użytkowników. Następnie wykorzystuje te spostrzeżenia do stworzenia produktu lub rozwiązania, które jest ostatecznie użyteczne i użyteczne. W przypadku robotów doświadczenie użytkownika zaczyna się od zrozumienia zamierzonego zadania robota i środowiska, przy jednoczesnym uwzględnieniu wszelkiego możliwego wpływu społecznego, jaki robot może mieć na działania człowieka i interakcje z nim.

Definiuje tę komunikację jako przekazywanie informacji za pomocą sygnałów, które są elementami odbieranymi za pomocą dotyku, dźwięku, zapachu i wzroku. Autor stwierdza, że ​​sygnał łączy nadawcę z odbiorcą i składa się z trzech części: samego sygnału, tego, do czego się odnosi, oraz tłumacza. Postawa ciała i gesty, mimika, ruchy rąk i głowy są częścią niewerbalnego zachowania i komunikacji. Roboty nie są wyjątkiem, jeśli chodzi o interakcje człowiek-robot. Dlatego ludzie wykorzystują swoje zachowania werbalne i niewerbalne do komunikowania swoich cech definiujących. Podobnie roboty społeczne potrzebują tej koordynacji, aby wykonywać zachowania podobne do ludzkich.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Robotics&oldid=1142749555 ”