Robotică - Robotics

Sistemul de mână al robotului Shadow

Robotica este un domeniu interdisciplinar care integrează informatica și ingineria . Robotica presupune proiectarea, construcția, operarea și utilizarea roboților . Scopul roboticii este de a proiecta mașini care pot ajuta și ajuta oamenii. Robotică Integrează domenii de inginerie mecanică , inginerie electrică , inginerie informații , mecatronica , electronica , bioinginerie , inginerie calculator , inginerie de control , inginerie software , matematică etc.

Robotica dezvoltă mașini care pot înlocui oamenii și pot replica acțiunile umane. Roboții pot fi folosiți în multe situații în mai multe scopuri, dar astăzi mulți sunt folosiți în medii periculoase (inclusiv inspecția materialelor radioactive, detectarea și dezactivarea bombelor ), procese de fabricație sau în care oamenii nu pot supraviețui (de exemplu în spațiu, sub apă, la căldură ridicată) , și curățarea și izolarea materialelor periculoase și a radiațiilor). Roboții pot lua orice formă, dar unele sunt făcute să semene cu oamenii în aparență. Se pretinde că acest lucru ajută la acceptarea roboților în anumite comportamente replicative care sunt de obicei efectuate de oameni. Astfel de roboți încearcă să reproducă mersul, ridicarea, vorbirea, cunoașterea sau orice altă activitate umană. Mulți dintre roboții de astăzi sunt inspirați de natură, contribuind la domeniul roboticii bio-inspirați .

Anumiți roboți necesită intrarea utilizatorului pentru a funcționa, în timp ce alți roboți funcționează autonom. Conceptul de a crea roboți care pot funcționa în mod autonom datează din epoca clasică , dar cercetările privind funcționalitatea și utilizările potențiale ale roboților nu au crescut substanțial până în secolul al XX-lea. De-a lungul istoriei, s-a presupus frecvent de diverși cercetători, inventatori, ingineri și tehnicieni că roboții vor putea într-o zi să imite comportamentul uman și să gestioneze sarcinile într-un mod asemănător omului. Astăzi, robotica este un domeniu în creștere rapidă, pe măsură ce progresele tehnologice continuă; cercetarea, proiectarea și construirea de noi roboți îndeplinesc diferite scopuri practice, fie pe plan intern , comercial sau militar . Mulți roboți sunt construiți pentru a face lucrări periculoase pentru oameni, cum ar fi dezamorsarea bombelor, găsirea supraviețuitorilor în ruinele instabile și explorarea minelor și a naufragiilor. Robotica este, de asemenea, utilizată în STEM (știință, tehnologie , inginerie și matematică ) ca ajutor didactic.

Etimologie

Cuvântul robotică a fost derivat din cuvântul robot , care a fost introdus publicului de scriitorul ceh Karel Čapek în piesa sa RUR (Roboții universali ai lui Rossum) , care a fost publicată în 1920. Cuvântul robot provine din cuvântul slav robota , care înseamnă muncă /loc de munca. Piesa începe într-o fabrică care face oameni artificiali numiți roboți , creaturi care pot fi confundate cu oamenii - foarte asemănătoare cu ideile moderne de androizi . Karel Čapek însuși nu a inventat cuvântul. El a scris o scurtă scrisoare cu referire la o etimologie în Oxford English Dictionary, în care l-a numit pe fratele său Josef Čapek drept propriul său inițiator.

Potrivit Oxford English Dictionary , cuvântul robotică a fost folosit pentru prima dată în tipar de Isaac Asimov , în nuvela sa de ficțiune „Liar!” , publicat în mai 1941 în Astounding Science Fiction . Asimov nu știa că inventează termenul; întrucât știința și tehnologia dispozitivelor electrice este electronică , el a presupus că robotica se referea deja la știința și tehnologia roboților. În unele dintre celelalte lucrări ale lui Asimov, el afirmă că prima utilizare a cuvântului robotică a fost în nuvela sa Runaround ( Astounding Science Fiction , martie 1942), unde și-a prezentat conceptul Cele trei legi ale roboticii . Cu toate acestea, publicația originală a „Mincinosului!” este precedată de cea a „Runaround” cu zece luni, deci prima este în general citată ca origine a cuvântului.

Istorie

În 1948, Norbert Wiener a formulat principiile ciberneticii , baza roboticii practice.

Roboții complet autonomi au apărut abia în a doua jumătate a secolului XX. Primul robot programabil și acționat digital, Unimate , a fost instalat în 1961 pentru a ridica bucăți fierbinți de metal de la o mașină de turnare sub presiune și a le stiva. Roboții comerciali și industriali sunt răspândiți astăzi și sunt folosiți pentru a efectua lucrări mai ieftin, mai precis și mai fiabil decât oamenii. De asemenea, sunt angajați în unele locuri de muncă care sunt prea murdare, periculoase sau plictisitoare pentru a fi potrivite pentru oameni. Roboții sunt folosiți pe scară largă în producția , asamblarea, ambalarea și ambalarea, mineritul, transportul, explorarea pământului și spațiului , chirurgia, armamentul, cercetarea în laborator , siguranța și producția în masă a bunurilor de larg consum și industriale .

Data Semnificaţie Numele robotului Inventator
Secolul al III-lea î.Hr. și mai devreme Una dintre cele mai vechi descrieri de automate apare în textul Lie Zi , la o întâlnire mult mai timpurie între regele Mu din Zhou (1023–957 î.Hr.) și un inginer mecanic cunoscut sub numele de Yan Shi, un „artificier”. Acesta din urmă ar fi prezentat regelui o figură în mărime naturală, în formă de om, a lucrării sale mecanice. Yan Shi (chineză:偃师)
Primul secol d.Hr. și mai devreme Descrieri a mai mult de 100 de mașini și automate, inclusiv o mașină de pompieri, un organ de vânt, o mașină acționată cu monede și un motor cu abur, în Pneumatica și Automate de Heron of Alexandria Ctesibius , Philo de Bizanț , Heron din Alexandria și alții
c. 420 î.Hr. O pasăre din lemn, propulsată cu abur, care a putut să zboare Porumbel zburător Archytas din Tarentum
1206 Am creat automatele umanoide timpurii, o bandă automată programabilă Banda robotică, automat de spălare a mâinilor, păuni în mișcare automată Al-Jazari
1495 Proiecte pentru un robot umanoid Cavaler mecanic Leonardo da Vinci
Anii 1560 (nespecificat) Călugăr mecanic care avea picioarele machinale construite sub robele sale care imitau mersul pe jos. Ochii, buzele și capul robotului se mișcă în gesturi realiste. Călugăr mecanic Leonardo da Vinci
1738 Rață mecanică care a putut mânca, bate din aripi și excreta Digesting Duck Jacques de Vaucanson
1898 Nikola Tesla demonstrează prima navă radio-controlată. Teleautomaton Nikola Tesla
1921 Primele automate fictive numite „roboți” apar în piesa RUR Roboții universali ai lui Rossum Karel Čapek
Anii 1930 Robot umanoan expus la târgurile mondiale din 1939 și 1940 Elektro Westinghouse Electric Corporation
1946 Primul computer digital de uz general Vârtej de vânt Mai mulți oameni
1948 Roboți simpli care prezintă comportamente biologice Elsie și Elmer William Gray Walter
1956 Primul robot comercial, de la compania Unimation fondată de George Devol și Joseph Engelberger , pe baza brevetelor Devol Unimat George Devol
1961 Primul robot industrial instalat. Unimat George Devol
1967-1972 Primul robot inteligent umanoid la scară completă și primul Android . Sistemul său de control al membrelor i-a permis să meargă cu membrele inferioare și să prindă și să transporte obiecte cu mâinile, folosind senzori tactili. Sistemul său de vedere i-a permis să măsoare distanțele și direcțiile către obiecte folosind receptori externi, ochi și urechi artificiale. Și sistemul său de conversație i-a permis să comunice cu o persoană în japoneză, cu o gură artificială. WABOT-1 Universitatea Waseda
1973 Primul robot industrial cu șase axe acționate electromecanic Famulus KUKA Robot Group
1974 Primul robot industrial electric controlat de microcomputer din lume, IRB 6 de la ASEA, a fost livrat unei mici companii de inginerie mecanică din sudul Suediei. Proiectarea acestui robot a fost patentată deja în 1972. IRB 6 ABB Robot Group
1975 Braț de manipulare universal programabil, un produs Unimation PUMA Victor Scheinman
1978 Primul limbaj de programare a robotului la nivel de obiect, permițând roboților să gestioneze variațiile în poziția obiectului, forma și zgomotul senzorului. Freddy I și II, limbaj de programare robot RAPT Patricia Ambler și Robin Popplestone
1983 Primul limbaj de programare multitasking, paralel, utilizat pentru controlul robotului. A fost Limbajul condus de evenimente (EDL) pe computerul de proces IBM / Series / 1, cu implementarea mecanismelor de comunicare inter-proces (WAIT / POST) și de excludere reciprocă (ENQ / DEQ) pentru controlul robotului. ADRIEL I Stevo Bozinovski și Mihail Sestakov

Aspecte robotice

Construcție mecanică
Aspect electric
Un nivel de programare

Există multe tipuri de roboți; acestea sunt utilizate în multe medii diferite și pentru multe utilizări diferite. Deși sunt foarte diverse ca aplicație și formă, toate împărtășesc trei asemănări de bază atunci când vine vorba de construcția lor:

  1. Roboții au toate un fel de construcție mecanică, un cadru, o formă sau o formă concepută pentru a realiza o anumită sarcină. De exemplu, un robot conceput pentru a călători peste murdărie sau noroi greu ar putea folosi șenile de omidă . Aspectul mecanic este în cea mai mare parte soluția creatorului pentru a finaliza sarcina atribuită și pentru a se ocupa de fizica mediului din jurul său. Forma urmează funcția.
  2. Roboții au componente electrice care alimentează și controlează utilajele. De exemplu, robotul cu șenile omizi ar avea nevoie de un fel de putere pentru a muta benzile de urmărire. Această putere vine sub formă de electricitate, care va trebui să circule printr-un fir și să provină dintr-o baterie, un circuit electric de bază . Chiar și mașinile pe benzină care obțin puterea lor în principal din benzină necesită în continuare un curent electric pentru a începe procesul de ardere, motiv pentru care majoritatea mașinilor cu benzină, cum ar fi mașinile, au baterii. Aspectul electric al roboților este utilizat pentru mișcare (prin motoare), detectare (unde semnalele electrice sunt utilizate pentru a măsura lucruri precum căldura, sunetul, poziția și starea energiei) și funcționarea (roboții au nevoie de un anumit nivel de energie electrică furnizată motoarelor lor și senzori pentru a activa și efectua operațiuni de bază)
  3. Toți roboții conțin un anumit nivel de cod de programare pentru computer . Un program este modul în care un robot decide când sau cum să facă ceva. În exemplul de pistă de omidă, un robot care trebuie să se deplaseze pe un drum cu noroi poate avea construcția mecanică corectă și poate primi cantitatea corectă de energie din bateria sa, dar nu ar merge nicăieri fără ca un program să-i spună să se miște. Programele sunt esența de bază a unui robot, acesta ar putea avea o construcție mecanică și electrică excelentă, dar dacă programul său este slab construit, performanțele sale vor fi foarte slabe (sau s-ar putea să nu funcționeze deloc). Există trei tipuri diferite de programe robotizate: telecomandă, inteligență artificială și hibrid. Un robot cu programare cu telecomandă are un set preexistent de comenzi pe care le va efectua numai dacă și când primește un semnal de la o sursă de control, de obicei o ființă umană cu o telecomandă. Poate că este mai potrivit să vizualizăm dispozitivele controlate în primul rând de comenzi umane ca fiind încadrate mai degrabă în disciplina automatizării decât în ​​robotică. Roboții care folosesc inteligența artificială interacționează singuri cu mediul lor fără o sursă de control și pot determina reacțiile la obiecte și probleme pe care le întâmpină folosind programarea lor preexistentă. Hibridul este o formă de programare care încorporează atât funcții AI cât și RC.

Aplicații

Pe măsură ce tot mai mulți roboți sunt proiectați pentru sarcini specifice, această metodă de clasificare devine mai relevantă. De exemplu, mulți roboți sunt proiectați pentru lucrări de asamblare, care pot să nu fie ușor de adaptat pentru alte aplicații. Sunt denumiți „roboți de asamblare”. Pentru sudarea cusăturilor, unii furnizori furnizează sisteme complete de sudare cu robotul, adică echipamentele de sudură împreună cu alte facilități de manipulare a materialelor, cum ar fi platourile etc., ca unitate integrată. Un astfel de sistem robotizat integrat este numit „robot de sudură”, chiar dacă unitatea sa manipulatoare discretă ar putea fi adaptată la o varietate de sarcini. Unii roboți sunt proiectați special pentru manipularea încărcăturilor grele și sunt etichetați ca „roboți grele”.

Aplicațiile actuale și potențiale includ:

  • Roboți militari .
  • Roboți industriali . Roboții sunt din ce în ce mai folosiți în producție (încă din anii 1960). Conform datelor SUA ale Robotic Industries Association , în 2016 industria automobilelor era principalul client al roboților industriali, cu 52% din vânzările totale. În industria auto, acestea pot reprezenta mai mult de jumătate din „forța de muncă”. Există chiar fabrici de „ lumini stinse ”, cum ar fi o fabrică de fabricare a tastaturilor IBM din Texas, care a fost complet automatizată încă din 2003.
  • Cobots (roboți colaborativi).
  • Roboți de construcție . Roboții de construcție pot fi separați în trei tipuri: roboți tradiționali, braț robotizat și exoschelet robotizat .
  • Roboți agricoli (AgRobots). Utilizarea roboților în agricultură este strâns legată de conceptul de agricultură de precizie asistată de AI și de utilizarea dronelor . Cercetările din 1996-1998 au dovedit, de asemenea, că roboții pot îndeplini o sarcină de păstorire .
  • Roboți medicali de diferite tipuri (cum ar fi da Vinci Surgical System și Hospi ).
  • Automatizarea bucătăriei. Exemple comerciale de automatizare a bucătăriei sunt Flippy (burgeri), Zume Pizza (pizza), Cafe X (cafea), Makr Shakr (cocktailuri), Frobot (iaurturi înghețate) și Sally (salate). Exemple sunt Acasă Rotimatic ( flatbreads coacere) și Boris (mașină de spălat vase de încărcare).
  • Robot de luptă pentru sport - hobby sau un eveniment sportiv în cazul în care doi sau mai mulți roboți lupta într - o arenă pentru a dezactiva reciproc. Acest lucru s-a dezvoltat de la un hobby în anii 1990 la mai multe seriale TV din întreaga lume.
  • Curățarea zonelor contaminate, cum ar fi deșeurile toxice sau instalațiile nucleare.
  • Roboți domestici .
  • Nanoroboti .
  • Robotică de roi .
  • Drone autonome .
  • Marcarea liniei terenului sportiv .

Componente

Sursa de putere

InSight Aterizarea cu panouri solare instalate într - o cameră curată

În prezent, majoritatea bateriilor (plumb-acid) sunt utilizate ca sursă de alimentare. Multe tipuri diferite de baterii pot fi utilizate ca sursă de energie pentru roboți. Acestea variază de la bateriile cu plumb-acid, care sunt sigure și au o durată de depozitare relativ lungă, dar sunt destul de grele în comparație cu bateriile argintiu-cadmiu, care au un volum mult mai mic și sunt în prezent mult mai scumpe. Proiectarea unui robot alimentat cu baterii trebuie să țină cont de factori precum siguranța, durata de viață a ciclului și greutatea . Pot fi utilizate și generatoare, adesea un tip de motor cu ardere internă . Cu toate acestea, astfel de modele sunt deseori complexe mecanic și au nevoie de combustibil, necesită disipare de căldură și sunt relativ grele. O legătură care conectează robotul la o sursă de alimentare ar elimina complet sursa de alimentare din robot. Acest lucru are avantajul de a economisi greutate și spațiu prin mutarea tuturor componentelor de generare a energiei și de stocare în altă parte. Cu toate acestea, acest design vine cu dezavantajul de a avea în mod constant un cablu conectat la robot, care poate fi dificil de gestionat. Sursele de energie potențiale ar putea fi:

Acționare

Actuatoarele sunt „ mușchii ” unui robot, părțile care transformă energia stocată în mișcare. De departe, cele mai populare elemente de acționare sunt motoarele electrice care rotesc o roată sau un angrenaj și dispozitivele de acționare liniare care controlează roboții industriali din fabrici. Există unele progrese recente în tipurile alternative de actuatoare, alimentate cu electricitate, substanțe chimice sau aer comprimat.

Motoare electrice

Marea majoritate a roboților folosesc motoare electrice , de multe ori motoare de curent continuu periate și fără perii în roboți portabili sau motoare de curent alternativ în roboți industriali și mașini CNC . Aceste motoare sunt adesea preferate în sistemele cu sarcini mai ușoare și unde forma predominantă de mișcare este rotațională.

Actuatoare liniare

Diferite tipuri de servomotoare liniare se deplasează în și în loc de rotire și au adesea schimbări mai rapide de direcție, în special atunci când sunt necesare forțe foarte mari, cum ar fi cu robotica industrială. Acestea sunt alimentate în mod obișnuit cu aer comprimat și oxidat ( actuator pneumatic ) sau cu un ulei ( actuator hidraulic ). Un alt tip obișnuit este un actuator liniar mecanic care este rotit manual, cum ar fi cremaliera și pinionul unei mașini.

Actuatoare elastice din serie

Acționarea elastică în serie (SEA) se bazează pe ideea introducerii unei elasticități intenționate între actuatorul motorului și sarcină pentru un control robust al forței. Datorită inerției reflectate mai mici rezultate, acționarea elastică în serie îmbunătățește siguranța atunci când un robot interacționează cu mediul (de exemplu, oameni sau piese de prelucrat) sau în timpul coliziunilor. În plus, asigură, de asemenea, eficiență energetică și absorbție a șocurilor (filtrare mecanică), reducând în același timp uzura excesivă a transmisiei și a altor componente mecanice. Această abordare a fost folosită cu succes în diferiți roboți, în special roboți avansați de fabricație și roboți umanoizi ambulanți.

Proiectarea controlerului unui actuator elastic de serie este cel mai adesea realizată în cadrul pasivității , deoarece asigură siguranța interacțiunii cu medii nestructurate. În ciuda rezistenței sale remarcabile de stabilitate, acest cadru suferă de limitările stricte impuse controlerului, care pot compromite performanța. Cititorul este trimis la următoarea anchetă care sintetizează comune arhitecturi ale regulatorului pentru SEA , împreună cu corespunzătoare suficiente condiții de pasivitate. Un studiu recent a obținut condițiile de pasivitate necesare și suficiente pentru una dintre cele mai frecvente arhitecturi de control al impedanței , și anume SEA cu sursă de viteză. Această lucrare are o importanță deosebită, deoarece conduce pentru prima dată limitele de pasivitate neconservatoare într-o schemă SEA, ceea ce permite o selecție mai mare a câștigurilor de control.

Mușchii aerului

Mușchii artificiali pneumatici, cunoscuți și sub denumirea de mușchi ai aerului, sunt tuburi speciale care se extind (de obicei până la 40%) atunci când aerul este forțat în interiorul lor. Acestea sunt utilizate în unele aplicații robot.

Sârmă musculară

Sârma musculară, cunoscută și sub denumirea de aliaj pentru memorie de formă, sârmă Nitinol® sau Flexinol®, este un material care se contractă (sub 5%) când se aplică electricitate. Acestea au fost folosite pentru unele aplicații de robot mici.

Polimeri electroactivi

EAP-urile sau EPAM-urile sunt un material plastic care se poate contracta substanțial (până la 380% tulpină de activare) din electricitate și a fost utilizat în mușchii feței și brațele roboților umanoizi și pentru a permite noilor roboți să plutească, să zboare, să înoate sau să meargă.

Motoare piezo

Alternative recente la motoarele de curent continuu sunt motoarele piezo sau motoarele cu ultrasunete . Acestea funcționează pe un principiu fundamental diferit, prin care elemente piezoceramice minuscule , care vibrează de multe mii de ori pe secundă, provoacă mișcare liniară sau rotativă. Există diferite mecanisme de funcționare; un tip folosește vibrația elementelor piezo pentru a trece motorul într-un cerc sau o linie dreaptă. Un alt tip folosește elementele piezo pentru a provoca vibrația unei piulițe sau pentru a acționa un șurub. Avantajele acestor motoare sunt rezoluția nanometrului , viteza și forța disponibilă pentru dimensiunea lor. Aceste motoare sunt deja disponibile comercial și sunt utilizate pe unii roboți.

Nanotuburi elastice

Nanotuburile elastice sunt o tehnologie musculară artificială promițătoare în dezvoltarea experimentală în stadiu incipient. Absența defectelor nanotuburi de carbon permite acestor filamente deforma elastic cu câteva procente, cu un nivel de stocare a energiei de probabil 10  J / cm 3 pentru nanotuburilor metalice. Bicepsul uman ar putea fi înlocuit cu un fir de 8 mm din acest material. Un astfel de „mușchi” compact ar putea permite viitorilor roboți să depășească și să depășească oamenii.

Sensing

Senzorii permit roboților să primească informații despre o anumită măsurare a mediului sau a componentelor interne. Acest lucru este esențial pentru ca roboții să își îndeplinească sarcinile și să acționeze în urma oricăror schimbări din mediu pentru a calcula răspunsul adecvat. Acestea sunt utilizate pentru diferite forme de măsurare, pentru a da roboților avertismente cu privire la siguranță sau defecțiuni și pentru a furniza informații în timp real despre sarcina pe care o îndeplinește.

Atingere

Mâinile robotice și protetice actuale primesc mult mai puține informații tactile decât mâna umană. Cercetări recente au dezvoltat o gamă de senzori tactili care imită proprietățile mecanice și receptorii tactili ai vârfurilor degetelor umane. Rețeaua de senzori este construită ca un miez rigid înconjurat de fluid conductiv conținut de o piele elastomerică. Electrozii sunt montați pe suprafața miezului rigid și sunt conectați la un dispozitiv de măsurare a impedanței din interiorul miezului. Când pielea artificială atinge un obiect, calea fluidului din jurul electrozilor este deformată, producând modificări de impedanță care mapează forțele primite de la obiect. Cercetătorii se așteaptă ca o funcție importantă a unor astfel de vârfuri ale degetelor artificiale să fie reglarea aderenței robotice pe obiectele ținute.

Oamenii de știință din mai multe țări europene și Israel au dezvoltat o mână protetică în 2009, numită SmartHand, care funcționează ca una reală - permițând pacienților să scrie cu ea, să tasteze la tastatură , să cânte la pian și să efectueze alte mișcări fine. Proteza are senzori care permit pacientului să simtă sentimentul real în vârful degetelor.

Viziune

Viziunea computerizată este știința și tehnologia mașinilor care văd. Ca disciplină științifică, viziunea pe computer este preocupată de teoria din spatele sistemelor artificiale care extrag informații din imagini. Datele imaginii pot lua mai multe forme, cum ar fi secvențe video și vizualizări de la camere.

În majoritatea aplicațiilor practice de viziune pe computer, computerele sunt pre-programate pentru a rezolva o anumită sarcină, dar metodele bazate pe învățare devin din ce în ce mai frecvente.

Sistemele de viziune pe computer se bazează pe senzori de imagine care detectează radiația electromagnetică care este de obicei sub formă de lumină vizibilă sau lumină cu infraroșu . Senzorii sunt proiectați folosind fizica în stare solidă . Procesul prin care lumina se propagă și se reflectă pe suprafețe este explicat folosind optica . Senzorii de imagine sofisticati necesită chiar mecanica cuantică pentru a oferi o înțelegere completă a procesului de formare a imaginii. Roboții pot fi, de asemenea, echipați cu senzori de viziune multipli pentru a putea calcula mai bine sensul adâncimii din mediu. La fel ca ochii umani, „ochii” roboților trebuie, de asemenea, să se poată concentra pe o anumită zonă de interes și, de asemenea, să se adapteze la variațiile intensității luminii.

Există un subcamp în cadrul viziunii computerizate în care sistemele artificiale sunt concepute pentru a imita procesarea și comportamentul sistemului biologic , la diferite niveluri de complexitate. De asemenea, unele dintre metodele bazate pe învățare dezvoltate în cadrul viziunii pe computer își au originea în biologie.

Alte

Alte forme comune de detectare în robotică folosesc lidar, radar și sonar. Lidar măsoară distanța față de o țintă iluminând ținta cu lumină laser și măsurând lumina reflectată cu un senzor. Radarul folosește unde radio pentru a determina raza, unghiul sau viteza obiectelor. Sonarul folosește propagarea sunetului pentru a naviga, comunica sau detecta obiecte pe sau sub suprafața apei.

Manipulare

Robot industrial KUKA care funcționează într-o turnătorie
Puma, unul dintre primii roboți industriali
Baxter, un robot industrial modern și versatil dezvoltat de Rodney Brooks

O definiție a manipulării robotizate a fost furnizată de Matt Mason astfel: „manipularea se referă la controlul unui agent asupra mediului său prin contact selectiv”.

Roboții trebuie să manipuleze obiecte; ridicați, modificați, distrugeți sau efectuați în alt mod. Astfel, capătul funcțional al unui braț robot destinat să producă efectul (fie că este o mână, fie că este o unealtă) sunt adesea denumiți efectori finali , în timp ce „brațul” este denumit manipulator . Majoritatea brațelor robotului au efectoare finale înlocuibile, fiecare permițându-le să îndeplinească o serie mică de sarcini. Unele au un manipulator fix care nu poate fi înlocuit, în timp ce câteva au un manipulator cu scop general, de exemplu, o mână umanoidă.

Prinderi mecanice

Unul dintre cele mai frecvente tipuri de efectori finali sunt „mânerele”. În cea mai simplă manifestare, aceasta constă din doar două degete care se pot deschide și închide pentru a ridica și a elibera o serie de obiecte mici. Degetele pot fi, de exemplu, realizate dintr-un lanț cu un fir metalic care trece prin el. Mâinile care seamănă și funcționează mai mult ca o mână umană includ mâna Umbră și mâna Robonaut . Mâinile care au o complexitate de nivel mediu includ mâna Delft . Dispozitivele de prindere mecanice pot fi disponibile în diferite tipuri, inclusiv frecare și fălci cuprinzătoare. Fălcile de fricțiune folosesc toată forța de prindere pentru a menține obiectul în loc folosind fricțiunea. Fălcile cuprinzătoare leagă obiectul în loc, folosind o frecare mai mică.

Efectoare de aspirație

Efectoarele de aspirație, alimentate de generatoare de vid, sunt dispozitive astrictive foarte simple, care pot susține sarcini foarte mari, cu condiția ca suprafața de prehensiune să fie suficient de netedă pentru a asigura aspirația.

Alegeți și plasați roboți pentru componente electronice și pentru obiecte mari, cum ar fi parbrizele mașinii, folosesc adesea efectoare de vid foarte simple.

Aspirarea este un tip extrem de utilizat de efector final în industrie, în parte deoarece respectarea naturală a efectorilor de aspirație moale poate permite unui robot să fie mai robust în prezența percepției robotice imperfecte. Ca exemplu: luați în considerare cazul unui sistem de viziune robot estimează poziția unei sticle de apă, dar are 1 centimetru de eroare. În timp ce acest lucru poate determina o prindere mecanică rigidă să străpungă sticla de apă, efectorul final de aspirație moale se poate îndoi ușor și se conformează formei suprafeței sticlei de apă.

Efectoare de uz general

Unii roboți avansați încep să folosească mâini complet umanoide, cum ar fi mâna umbrei, MANUS și mâna Schunk . Aceștia sunt manipulatori foarte abili, cu până la 20 de grade de libertate și sute de senzori tactili.

Locomoţie

Roboți rulanți

Segway în muzeul Robot din Nagoya

Pentru simplitate, majoritatea roboților mobili au patru roți sau o serie de piste continue . Unii cercetători au încercat să creeze roboți cu roți mai complexe, cu doar una sau două roți. Acestea pot avea anumite avantaje, cum ar fi o eficiență mai mare și piese reduse, precum și permiterea unui robot să navigheze în locuri restrânse pe care un robot cu patru roți nu le-ar putea face.

Roboți de echilibrare cu două roți

Roboții de echilibrare folosesc în general un giroscop pentru a detecta cât de mult cade un robot și apoi conduc roțile proporțional în aceeași direcție, pentru a contrabalansa căderea de sute de ori pe secundă, pe baza dinamicii unui pendul inversat . Au fost proiectați mulți roboți de echilibrare diferiți. În timp ce Segway-ul nu este considerat în mod obișnuit ca un robot, acesta poate fi considerat o componentă a unui robot, atunci când este utilizat ca atare, Segway se referă la acestea ca RMP (Robotic Mobility Platform). Un exemplu al acestei utilizări a fost Robonautul NASA , care a fost montat pe un Segway.

Roboți de echilibrare cu o singură roată

Un robot de echilibrare cu o roată este o extensie a unui robot de echilibrare cu două roți, astfel încât să se poată deplasa în orice direcție 2D folosind o bilă rotundă ca singură roată. Mai mulți roboți de echilibrare cu o singură roată au fost proiectați recent, cum ar fi „ Ballbot ” al Universității Carnegie Mellon , care este înălțimea și lățimea aproximativă a unei persoane, și „BallIP” al Universității Tohoku Gakuin . Datorită formei lungi și subțiri și capacității de a manevra în spații înguste, acestea au potențialul de a funcționa mai bine decât alți roboți în medii cu oameni.

Roboți orb sferici

Au fost făcute mai multe încercări la roboți care sunt complet în interiorul unei bile sferice, fie prin rotirea unei greutăți în interiorul mingii, fie prin rotirea cochiliilor exterioare ale sferei. Acestea au fost, de asemenea, menționate ca un orb bot sau un ball bot.

Roboți cu șase roți

Utilizarea a șase roți în loc de patru roți poate oferi o tracțiune sau o aderență mai bună pe terenurile exterioare, cum ar fi murdăria stâncoasă sau iarba.

Roboți urmăriți

Urmele tancurilor oferă o tracțiune chiar mai mare decât un robot cu șase roți. Roțile cu șenile se comportă ca și cum ar fi făcute din sute de roți, prin urmare sunt foarte frecvente pentru roboții în aer liber și militari, unde robotul trebuie să circule pe un teren foarte accidentat. Cu toate acestea, acestea sunt dificil de utilizat în interior, cum ar fi pe covoare și podele netede. Exemplele includ robotul urban „Urbie” al NASA.

Mersul aplicat roboților

Mersul pe jos este o problemă dificilă și dinamică de rezolvat. Au fost fabricați mai mulți roboți care pot merge sigur pe două picioare, cu toate acestea, încă nu au fost fabricați niciunul care să fie la fel de robust ca un om. Au existat multe studii privind mersul inspirat de om, cum ar fi laboratorul AMBER, care a fost înființat în 2008 de către Departamentul de Inginerie Mecanică de la Universitatea Texas A&M. Au fost construiți mulți alți roboți care merg pe mai mult de două picioare, deoarece acești roboți sunt semnificativ mai ușor de construit. Roboții de mers pot fi folosiți pentru terenuri denivelate, care ar oferi o mobilitate și o eficiență energetică mai bune decât alte metode de locomoție. De obicei, roboții pe două picioare pot merge bine pe podele plate și ocazional pot urca scările . Nimeni nu poate merge pe teren stâncos, neuniform. Unele dintre metodele care au fost încercate sunt:

Tehnica ZMP

Punctul momentul zero (ZMP) este algoritmul utilizat de roboți , cum ar fi Honda lui ASIMO . Încearcă computerul de bord robotului pentru a menține totalul forțelor de inerție (combinarea a Pământului e gravitatea și accelerație și decelerare de mers pe jos), spre deosebire exact de podea forța de reacție (forța podelei împinge înapoi pe jos robotului). În acest fel, cele două forțe se anulează, fără a lăsa niciun moment (forța care determină rotirea robotului și căderea). Cu toate acestea, nu exact așa umblă un om, iar diferența este evidentă pentru observatorii umani, dintre care unii au subliniat că ASIMO merge de parcă ar avea nevoie de toaletă . Algoritmul de mers ASIMO nu este static și se folosește o anumită echilibrare dinamică (vezi mai jos). Cu toate acestea, este încă nevoie de o suprafață netedă pentru a merge.

Ţopăit

Mai mulți roboți, construiți în anii 1980 de Marc Raibert la Laboratorul MIT Leg, au demonstrat cu succes mersul foarte dinamic. Inițial, un robot cu un singur picior și un picior foarte mic ar putea rămâne în poziție verticală pur și simplu saltând . Mișcarea este aceeași cu cea a unei persoane pe un stick de pogo . Pe măsură ce robotul cade într-o parte, ar sari ușor în acea direcție, pentru a se prinde singur. În curând, algoritmul a fost generalizat la două și patru picioare. Un robot biped a fost demonstrat că rulează și chiar efectuează salturi . De asemenea, s-a demonstrat un patruped care putea trota , alerga, ritma și lega. Pentru o listă completă a acestor roboți, consultați pagina MIT Leg Lab Robots.

Echilibrare dinamică (cădere controlată)

O modalitate mai avansată de a merge un robot este utilizarea unui algoritm de echilibrare dinamică, care este potențial mai robust decât tehnica Zero Moment Point, deoarece monitorizează constant mișcarea robotului și plasează picioarele pentru a menține stabilitatea. Această tehnică a fost demonstrată recent de robotul Dexter al Anybots , care este atât de stabil încât poate chiar sări. Un alt exemplu este TU Delft Flame .

Dinamica pasivă

Poate că cea mai promițătoare abordare utilizează dinamica pasivă în care impulsul membrelor oscilante este utilizat pentru o eficiență mai mare . S-a demonstrat că mecanismele umanoide total neputerite pot merge pe o pantă ușoară, folosind doar gravitația pentru a se propulsa. Folosind această tehnică, un robot trebuie să furnizeze doar o cantitate mică de putere a motorului pentru a merge de-a lungul unei suprafețe plane sau puțin mai mult pentru a merge pe un deal . Această tehnică promite să facă roboții de mers pe jos de cel puțin zece ori mai eficienți decât mersul pe jos ZMP, cum ar fi ASIMO.

Alte metode de locomoție

Zbor

Un avion modern de pasageri este în esență un robot zburător , cu doi oameni care să îl gestioneze. Pilotul automat poate controla avionul pentru fiecare etapă a călătoriei, inclusiv decolare, normale de zbor, chiar și de aterizare. Alți roboți zburători sunt nelocuiți și sunt cunoscuți ca vehicule aeriene fără pilot (UAV). Pot fi mai mici și mai ușori fără un pilot uman la bord și pot zbura pe teritoriu periculos pentru misiuni de supraveghere militară. Unii pot trage chiar și asupra țintelor aflate sub comanda. De asemenea, sunt dezvoltate UAV-uri care pot trage automat asupra țintelor, fără a fi nevoie de o comandă de la un om. Alți roboți zburători includ rachete de croazieră , Entomopter și robotul micro elicopter Epson . Roboți precum Air Penguin, Air Ray și Air Jelly au corpuri mai ușoare decât aerul, propulsate de palete și ghidate de sonar.

Șerpuirea
Doi șerpi robot. Cel stâng are 64 de motoare (cu 2 grade de libertate pe segment), cel drept 10.

Mai mulți roboți de șarpe au fost dezvoltați cu succes. Imitând modul în care se mișcă șerpii adevărați, acești roboți pot naviga în spații foarte restrânse, ceea ce înseamnă că într-o zi pot fi folosiți pentru a căuta persoane prinse în clădiri prăbușite. Robotul șarpe japonez ACM-R5 poate chiar naviga atât pe uscat, cât și pe apă.

Patinaj

A fost dezvoltat un număr mic de roboți de patinaj , dintre care unul este un dispozitiv de mers pe jos și de patinaj multi-mod. Are patru picioare, cu roți neacționate, care pot călca sau roti. Un alt robot, Plen, poate folosi un skateboard în miniatură sau patine cu role și poate patina pe un desktop.

Capucin, un robot de cățărat
Alpinism

Au fost utilizate mai multe abordări diferite pentru a dezvolta roboți care au capacitatea de a urca pe suprafețe verticale. O abordare imită mișcările unui alpinist uman pe un perete cu proeminențe; reglarea centrului de masă și mișcarea fiecărui membru pe rând pentru a câștiga pârghie. Un exemplu în acest sens este Capucinul, construit de Dr. Ruixiang Zhang la Universitatea Stanford, California. O altă abordare folosește metoda specializată a degetelor de la picioare pentru gecko -urile de perete , care pot rula pe suprafețe netede, cum ar fi sticla verticală. Exemplele acestei abordări includ Wallbot și Stickybot.

China Daily Technology a raportat, la 15 noiembrie 2008, că Dr. Li Hiu Yeung și grupul său de cercetare New Concept Aircraft ( Zhuhai ) Co., Ltd. au dezvoltat cu succes un robot bionic gecko numit „ Speedy Freelander ”. Potrivit dr. Yeung, robotul gecko ar putea urca rapid în sus și în jos pe o varietate de ziduri ale clădirii, să navigheze prin sol și fisuri de perete și să meargă cu capul în jos pe tavan. De asemenea, a fost capabil să se adapteze la suprafețele de sticlă netedă, pereți aspri, lipicioși sau prăfuiți, precum și la diferite tipuri de materiale metalice. De asemenea, ar putea identifica și eluda în mod automat obstacolele. Flexibilitatea și viteza sa au fost comparabile cu un gecko natural. O a treia abordare este de a imita mișcarea unui șarpe care urcă pe un stâlp.

Înot (piscină)

Se calculează că atunci când înotați unii pești pot obține o eficiență propulsivă mai mare de 90%. În plus, pot accelera și manevra mult mai bine decât orice barcă sau submarin artificial și pot produce mai puține zgomote și perturbări ale apei. Prin urmare, mulți cercetători care studiază roboți subacvatici ar dori să copieze acest tip de locomoție. Exemple notabile sunt Universul Essex Computer Science Robotic Fish G9 și Robot Tuna construit de Institute of Field Robotics, pentru a analiza și a modela matematic mișcarea thunniform . Pinguinul Aqua, proiectat și construit de Festo din Germania, copiază forma simplificată și propulsia de către „flippers” frontale de pinguini . Festo au construit, de asemenea, Aqua Ray și Aqua Jelly, care imită locomoția manta ray și, respectiv, a meduzelor.

Pește robotizat: iSplash -II

În 2014, iSplash- II a fost dezvoltat de doctorandul Richard James Clapham și de prof. Huosheng Hu la Universitatea din Essex. A fost primul pește robot capabil să depășească peștii carangiformi reali în ceea ce privește viteza maximă medie (măsurată în lungimi ale corpului / secundă) și rezistența, durata la care se menține viteza maximă. Această construcție a atins viteze de înot de 11,6BL / s (adică 3,7 m / s). Prima construcție, iSplash -I (2014) a fost prima platformă robotică care a aplicat o mișcare de înot carangiformă pe toată lungimea corpului, care s-a dovedit a crește viteza de înot cu 27% față de abordarea tradițională a unei forme de undă limitate posterioare.

Navigație
Robotul autonom pentru bărci cu pânze Vaimos

Au fost de asemenea dezvoltați roboți pentru bărci cu pânze pentru a face măsurători la suprafața oceanului. Un robot tipic pentru barcă cu pânze este Vaimos construit de IFREMER și ENSTA-Bretagne. Deoarece propulsia roboților pentru vele folosește vântul, energia bateriilor este utilizată numai pentru computer, pentru comunicare și pentru servomotoare (pentru a regla cârma și vela). Dacă robotul este echipat cu panouri solare, robotul ar putea naviga teoretic pentru totdeauna. Cele două competiții principale ale roboților pentru vele sunt WRSC , care are loc în fiecare an în Europa, și Sailbot .

Interacțiunea mediului și navigarea

Radar, GPS și lidar sunt toate combinate pentru a oferi o navigație adecvată și evitarea obstacolelor (vehicul dezvoltat pentru 2007 DARPA Urban Challenge )

Deși un procent semnificativ de roboți aflați în funcțiune astăzi sunt fie controlați de oameni, fie operează într-un mediu static, există un interes din ce în ce mai mare pentru roboții care pot funcționa autonom într-un mediu dinamic. Acești roboți necesită o combinație de hardware și software de navigație pentru a-și traversa mediul. În special, evenimentele neprevăzute (de exemplu, oameni și alte obstacole care nu staționează) pot provoca probleme sau coliziuni. Unii roboți extrem de avansați, cum ar fi robotul ASIMO și Meinü, au hardware și software de navigare pentru roboți deosebit de buni. De asemenea, mașini de auto-controlat , Ernst Dickmanns " mașină fără șofer , iar intrările din DARPA Grand Challenge , sunt capabile să detecteze mediul de bine și de luare a deciziilor , ulterior , de navigație pe baza acestor informații, inclusiv de un roi de roboți autonomi. Majoritatea acestor roboți utilizează un dispozitiv de navigație GPS cu puncte intermediare, împreună cu radar , uneori combinat cu alte date senzoriale, cum ar fi lidar , camere video și sisteme de ghidare inerțiale pentru o mai bună navigare între puncte intermediare.

Interacțiunea om-robot

Kismet poate produce o serie de expresii faciale.

Stadiul tehnicii în inteligența senzorială pentru roboți va trebui să progreseze prin mai multe ordine de mărime dacă vrem ca roboții care lucrează în casele noastre să depășească curățarea prin vid a podelelor. Dacă roboții vor lucra eficient în case și în alte medii non-industriale, modul în care sunt instruiți să-și îndeplinească sarcinile și, în special, modul în care li se va spune să se oprească, va avea o importanță critică. Este posibil ca persoanele care interacționează cu ei să aibă puțină sau deloc pregătire în domeniul roboticii, astfel încât orice interfață va trebui să fie extrem de intuitivă. De asemenea, autorii științifico-fantastici presupun că roboții vor fi în cele din urmă capabili să comunice cu oamenii prin vorbire , gesturi și expresii faciale , mai degrabă decât printr -o interfață de linie de comandă . Deși vorbirea ar fi cel mai natural mod de comunicare a omului, este nefiresc pentru robot. Probabil va trece mult timp până când roboții interacționează la fel de natural ca C-3PO fictiv sau Data Star Trek, generația următoare . Chiar dacă starea actuală a roboticii nu poate îndeplini standardele acestor roboți din știința-ficțiune, personajele mass-media robotizate (de exemplu, Wall-E, R2-D2) pot provoca simpatii audienței care sporesc disponibilitatea oamenilor de a accepta roboți reali în viitor. Acceptarea roboților sociali va crește, de asemenea, dacă oamenii pot întâlni un robot social în condiții adecvate. Studiile au arătat că interacțiunea cu un robot prin privirea, atingerea sau chiar imaginarea interacțiunii cu robotul poate reduce sentimentele negative pe care unii oameni le au despre roboți înainte de a interacționa cu ei. Cu toate acestea, dacă sentimentele negative preexistente sunt deosebit de puternice, interacțiunea cu un robot poate crește acele sentimente negative față de roboți.

Recunoaștere a vorbirii

Interpretarea fluxului continuu de sunete provenite de la un om, în timp real , este o sarcină dificilă pentru un computer, mai ales din cauza marii variabilități a vorbirii . Același cuvânt, rostit de aceeași persoană, poate suna diferit în funcție de acustica locală , volum , cuvântul anterior, indiferent dacă vorbitorul are sau nu o răceală , etc. Devine și mai greu atunci când vorbitorul are un accent diferit . Cu toate acestea, s-au făcut pași mari pe teren de când Davis, Biddulph și Balashek au proiectat primul „sistem de intrare vocală” care a recunoscut „zece cifre vorbite de un singur utilizator cu o precizie de 100%” în 1952. În prezent, cele mai bune sisteme pot recunoaște vorbire continuă, naturală, până la 160 de cuvinte pe minut, cu o precizie de 95%. Cu ajutorul inteligenței artificiale, mașinile din zilele noastre pot folosi vocea oamenilor pentru a-și identifica emoțiile, cum ar fi satisfăcute sau furioase

Vocea robotică

Există alte obstacole atunci când se permite robotului să utilizeze vocea pentru interacțiunea cu oamenii. Din motive sociale, vocea sintetică se dovedește suboptimă ca mediu de comunicare, făcând necesară dezvoltarea componentei emoționale a vocii robotizate prin diverse tehnici. Un avantaj al ramificării difonice este emoția pe care robotul este programat să o proiecteze, poate fi transportată pe caseta vocală sau pe fonem, deja preprogramată pe suportul vocal. Unul dintre primele exemple este un robot didactic numit Leachim dezvoltat în 1974 de Michael J. Freeman . Leachim a reușit să convertească memoria digitală în vorbire verbală rudimentară pe discuri de computer preînregistrate. A fost programat pentru a preda elevii din Bronx, New York .

Gesturi

Ne putem imagina, în viitor, să explicăm unui bucătar robot cum să facem o patiserie sau să cerem instrucțiuni unui ofițer de poliție robot. În ambele cazuri, efectuarea gesturilor cu mâna ar ajuta descrierile verbale. În primul caz, robotul ar recunoaște gesturile făcute de om și probabil le-ar repeta pentru confirmare. În cel de-al doilea caz, ofițerul de poliție robot ar fi făcut gesturi pentru a indica „pe drum, apoi să vireze la dreapta”. Este probabil ca gesturile să constituie o parte a interacțiunii dintre oameni și roboți. Au fost dezvoltate foarte multe sisteme pentru a recunoaște gesturile mâinilor umane.

Expresie faciala

Expresiile faciale pot oferi feedback rapid cu privire la progresul unui dialog între doi oameni și, în curând, pot face același lucru pentru oameni și roboți. Fețele robotizate au fost construite de Hanson Robotics folosind polimerul lor elastic numit Frubber , permițând un număr mare de expresii faciale datorită elasticității învelișului facial din cauciuc și a motoarelor subterane încorporate ( servos ). Acoperirea și servomotoarele sunt construite pe un craniu metalic . Un robot ar trebui să știe cum să abordeze un om, judecând după expresia feței și limbajul corpului . Indiferent dacă persoana este fericită, speriată sau cu aspect nebun, afectează tipul de interacțiune așteptat de la robot. La fel, roboți precum Kismet și adăugarea mai recentă, Nexi poate produce o serie de expresii faciale, permițându-i să aibă schimburi sociale semnificative cu oamenii.

Emoții artificiale

Se pot genera și emoții artificiale, compuse dintr-o succesiune de expresii faciale sau gesturi. După cum se poate vedea din filmul Final Fantasy: The Spirits Within , programarea acestor emoții artificiale este complexă și necesită o cantitate mare de observație umană. Pentru a simplifica această programare în film, presetările au fost create împreună cu un program special. Acest lucru a scăzut timpul necesar pentru realizarea filmului. Aceste presetări ar putea fi transferate pentru utilizare în roboți din viața reală. Un exemplu de robot cu emoții artificiale este Robin the Robot dezvoltat de o companie armeană IT Expper Technologies, care folosește interacțiune peer-to-peer bazată pe AI. Sarcina sa principală este realizarea bunăstării emoționale, adică depășirea stresului și anxietății. Robin a fost antrenat să analizeze expresiile feței și să-și folosească fața pentru a-și afișa emoțiile, având în vedere contextul. Robotul a fost testat de copii în clinicile din SUA și observațiile arată că Robin a crescut pofta de mâncare și veselia copiilor după întâlnire și discuție.

Personalitate

Mulți dintre roboții science fiction au o personalitate , ceva care poate sau nu poate fi de dorit în roboții comerciali ai viitorului. Cu toate acestea, cercetătorii încearcă să creeze roboți care par să aibă o personalitate: adică folosesc sunete, expresii faciale și limbajul corpului pentru a încerca să transmită o stare internă, care poate fi bucurie, tristețe sau teamă. Un exemplu comercial este Pleo , un dinozaur robot jucărie, care poate prezenta mai multe emoții aparente.

Inteligența socială

Laboratorul de mașini inteligente din punct de vedere social al Institutului de Tehnologie din Georgia cercetează noi concepte de interacțiune didactică ghidată cu roboții. Scopul proiectelor este un robot social care învață sarcina și obiectivele din demonstrațiile umane fără cunoștințe prealabile ale conceptelor de nivel înalt. Aceste noi concepte sunt bazate pe date de senzor continuu de nivel scăzut, prin învățare nesupravegheată , iar obiectivele sarcinii sunt ulterior învățate folosind o abordare bayesiană. Aceste concepte pot fi folosite pentru a transfera cunoștințe către sarcini viitoare, rezultând o învățare mai rapidă a acestor sarcini. Rezultatele sunt demonstrate de robotul Curi care poate scoate niște paste dintr-o oală pe o farfurie și poate servi sosul deasupra.

Control

Puppet Magnus , o marionetă manipulată de robot, cu sisteme complexe de control.
RuBot II poate rezolva manual cuburile lui Rubik.

Structura mecanică a unui robot trebuie controlată pentru a îndeplini sarcini. Controlul unui robot implică trei faze distincte - percepție, procesare și acțiune ( paradigme robotice ). Senzorii oferă informații despre mediu sau despre robotul însuși (de exemplu, poziția articulațiilor sale sau efectorul său final). Aceste informații sunt apoi procesate pentru a fi stocate sau transmise și pentru a calcula semnalele corespunzătoare către servomotoare ( motoare ) care deplasează mecanica.

Faza de procesare poate varia în complexitate. La nivel reactiv, poate traduce informațiile brute ale senzorului direct în comenzi ale actuatorului. Fuziunea senzorului poate fi utilizată mai întâi pentru a estima parametrii de interes (de exemplu, poziția dispozitivului de prindere al robotului) din datele zgomotoase ale senzorului. O sarcină imediată (cum ar fi deplasarea mânerului într-o anumită direcție) este dedusă din aceste estimări. Tehnicile din teoria controlului convertesc sarcina în comenzi care conduc actuatorii.

La scări mai lungi de timp sau cu sarcini mai sofisticate, robotul poate avea nevoie să construiască și să raționeze cu un model „cognitiv”. Modelele cognitive încearcă să reprezinte robotul, lumea și modul în care interacționează. Recunoașterea modelelor și viziunea computerizată pot fi utilizate pentru a urmări obiecte. Tehnicile de cartografiere pot fi folosite pentru a construi hărți ale lumii. În cele din urmă, planificarea mișcării și alte tehnici de inteligență artificială pot fi utilizate pentru a afla cum să acționăm. De exemplu, un planificator poate afla cum să îndeplinească o sarcină fără să lovească obstacole, să cadă peste etc.

Nivele de autonomie

TOPIO , un robot umanoid , a jucat ping pong la Tokyo IREX 2009.

Sistemele de control pot avea, de asemenea, diferite niveluri de autonomie.

  1. Interacțiunea directă este utilizată pentru dispozitive haptice sau teleoperate, iar omul are un control aproape complet asupra mișcării robotului.
  2. Modurile de asistență ale operatorului îl determină pe operator să comande sarcini de nivel mediu-înalt, robotul aflând automat cum să le realizeze.
  3. Un robot autonom poate rămâne fără interacțiune umană pentru perioade lungi de timp. Nivelurile superioare de autonomie nu necesită neapărat capacități cognitive mai complexe. De exemplu, roboții din fabricile de asamblare sunt complet autonome, dar funcționează într-un model fix.

O altă clasificare ia în considerare interacțiunea dintre controlul uman și mișcările mașinii.

  1. Teleoperarea . Un om controlează fiecare mișcare, fiecare schimbare a actuatorului mașinii este specificată de operator.
  2. Supraveghere. Un om specifică mișcările generale sau schimbările de poziție, iar mașina decide mișcările specifice ale dispozitivelor de acționare.
  3. Autonomie la nivel de sarcină. Operatorul specifică doar sarcina și robotul se descurcă singur pentru a o finaliza.
  4. Autonomie deplină. Mașina își va crea și finaliza toate sarcinile fără interacțiunea umană.

Cercetare

Doi ingineri ai Laboratorului de propulsie cu jet stau cu trei vehicule, oferind o comparație de mărime a trei generații de rover-uri Marte. Față și centru sunt rezervele de zbor pentru primul rover Marte, Sojourner , care a aterizat pe Marte în 1997 ca parte a proiectului Mars Pathfinder. În stânga este un vehicul de testare Mars Exploration Rover (MER) care este un frate care lucrează cu Spirit și oportunitate , care a aterizat pe Marte în 2004. În dreapta este un rover de testare pentru Mars Science Laboratory, care a aterizat Curiosity pe Marte în 2012 .
Sojourner are 65 cm (2,13 ft) lungime. Mars Exploration Rovers (MER) are o lungime de 1,6 m (5,2 ft). Curiozitatea din dreapta are o lungime de 3 m (9,8 ft).

O mare parte a cercetării în domeniul roboticii nu se concentrează pe sarcini industriale specifice, ci pe investigații privind noi tipuri de roboți , modalități alternative de gândire sau proiectare a roboților și noi modalități de fabricare a acestora. Alte investigații, cum ar fi proiectul ciberflorei MIT , sunt aproape în întregime academice.

O primă inovație specială nouă în proiectarea robotilor este aprovizionarea deschisă a proiectelor de robot. Pentru a descrie nivelul de avansare al unui robot, se poate folosi termenul „generație de roboți”. Acest termen este inventat de profesorul Hans Moravec , cercetător principal la Institutul de Robotică al Universității Carnegie Mellon, pentru a descrie evoluția viitoare a tehnologiei robotului. Roboții din prima generație , a prezis Moravec în 1997, ar trebui să aibă o capacitate intelectuală comparabilă cu probabil o șopârlă și ar trebui să devină disponibile până în 2010. Deoarece robotul din prima generație ar fi incapabil să învețe , totuși, Moravec prezice că robotul din a doua generație ar fi o îmbunătățire peste primul și devin disponibile până în 2020, cu inteligența poate comparabilă cu cea a unui mouse . Treia generație robotul ar trebui să aibă inteligența comparabilă cu cea a unei maimuțe . Deși roboții de a patra generație , roboți cu inteligență umană , prevede profesorul Moravec, vor deveni posibili, el nu prezice acest lucru înainte de 2040 sau 2050.

Al doilea este roboții evolutivi . Aceasta este o metodologie care folosește calculul evolutiv pentru a ajuta la proiectarea roboților, în special a formei corpului sau a controlerelor de mișcare și comportament . Într-un mod similar evoluției naturale , unei populații numeroase de roboți li se permite să concureze într-un fel sau capacitatea lor de a efectua o sarcină este măsurată folosind o funcție de fitness . Cei care se comportă cel mai prost sunt eliminați din populație și înlocuiți cu un set nou, care au comportamente noi bazate pe cele ale câștigătorilor. În timp, populația se îmbunătățește și, în cele din urmă, poate apărea un robot satisfăcător. Acest lucru se întâmplă fără programarea directă a roboților de către cercetători. Cercetătorii folosesc această metodă atât pentru a crea roboți mai buni, cât și pentru a explora natura evoluției. Deoarece procesul necesită adesea simularea multor generații de roboți, această tehnică poate fi rulată în totalitate sau în mare parte în simulare , utilizând un pachet software de simulatoare de roboți , apoi testat pe roboți reali odată ce algoritmii evoluați sunt suficient de buni. În prezent, există aproximativ 10 milioane de roboți industriali care lucrează în întreaga lume, iar Japonia este țara de top cu o densitate ridicată de utilizare a roboților în industria sa de fabricație.

Dinamică și cinematică

Videoclip extern
pictograma video Cum funcționează jucăria BB-8 Sphero

Studiul mișcării poate fi împărțit în cinematică și dinamică . Cinematica directă sau cinematică directă se referă la calculul poziției efectorului final, orientării, vitezei și accelerației atunci când sunt cunoscute valorile articulare corespunzătoare. Cinematica inversă se referă la cazul opus în care valorile articulare necesare sunt calculate pentru valorile efectorului final date, așa cum se face în planificarea traseului. Unele aspecte speciale ale cinematicii includ tratarea redundanței (posibilități diferite de a efectua aceeași mișcare), evitarea coliziunilor și evitarea singularității . Odată ce toate pozițiile, vitezele și accelerațiile relevante au fost calculate folosind cinematică , sunt utilizate metode din câmpul dinamicii pentru a studia efectul forțelor asupra acestor mișcări. Dinamica directă se referă la calculul accelerațiilor din robot odată ce forțele aplicate sunt cunoscute. Dinamica directă este utilizată în simulările computerizate ale robotului. Dinamica inversă se referă la calcularea forțelor actuatorului necesare pentru a crea o accelerație prescrisă a efectorului final. Aceste informații pot fi utilizate pentru a îmbunătăți algoritmii de control ai unui robot.

În fiecare domeniu menționat mai sus, cercetătorii se străduiesc să dezvolte noi concepte și strategii, să le îmbunătățească pe cele existente și să îmbunătățească interacțiunea dintre aceste zone. Pentru a face acest lucru, trebuie dezvoltate și implementate criterii pentru performanțe „optime” și modalități de optimizare a proiectării, structurii și controlului roboților.

Bionică și biomimetică

Bionica și biomimetica aplică fiziologia și metodele de locomoție a animalelor la proiectarea roboților. De exemplu, designul BionicKangaroo s-a bazat pe felul în care salt cangurii.

Calcul cuantic

S-au făcut unele cercetări dacă algoritmii de robotică pot fi executați mai rapid pe calculatoare cuantice decât pot fi rulate pe computere digitale . Această zonă a fost denumită robotică cuantică.

educatie si antrenament

SCORBOT-ER 4U robot de învățământ

Inginerii de robotică proiectează roboți, îi întrețin, dezvoltă noi aplicații pentru ei și efectuează cercetări pentru a extinde potențialul roboticii. Roboții au devenit un instrument educațional popular în unele școli medii și superioare, în special în părți din SUA , precum și în numeroase tabere de vară pentru tineri, crescând interesul pentru programare, inteligență artificială și robotică în rândul elevilor.

Formare profesională

Universități precum Worcester Polytechnic Institute (WPI) oferă licențe , masterate și diplome de doctorat în domeniul roboticii. Școlile profesionale oferă instruire în domeniul roboticii care vizează cariere în robotică.

Certificare

Robotica Certificare Standarde Alliance (RCSA) este o autoritate de certificare internațională robotica care conferă diferite robotice și legate de educație de industrie in -certificari.

Tabără de robotică de vară

Mai multe programe naționale de tabără de vară includ robotica ca parte a curriculumului lor de bază. În plus, programele de robotică de vară pentru tineri sunt frecvent oferite de muzee și instituții celebre.

Competiții de robotică

Există multe competiții în întreaga lume. Programul SeaPerch este destinat studenților de toate vârstele. Aceasta este o listă scurtă de exemple de concurs; pentru o listă mai completă, consultați competiția de roboți .

Competiții pentru copii mai mici

FIRST organizația oferă competițiile FIRST Lego League Jr. pentru copiii mai mici. Scopul acestei competiții este de a oferi copiilor mai mici o oportunitate de a începe să învețe despre știință și tehnologie. Copiii din această competiție construiesc modele Lego și au opțiunea de a utiliza kitul de robotică Lego WeDo.

Competiții pentru copii cu vârste cuprinse între 9-14 ani

Una dintre cele mai importante competiții este FLL sau FIRST Lego League . Ideea acestei competiții specifice este că copiii încep să dezvolte cunoștințe și să intre în robotică în timp ce se joacă cu Lego de când au nouă ani. Această competiție este asociată cu National Instruments . Copiii folosesc Lego Mindstorms pentru a rezolva provocările robotice autonome din această competiție.

Competiții pentru adolescenți

FIRST Tech Challenge este conceput pentru studenții intermediari, ca o tranziție de la PRIMA Lego League la Competiția de Robotică FIRST .

Competiția de Robotică FIRST se concentrează mai mult pe design mecanic, cu un anumit joc fiind jucat în fiecare an. Roboții sunt construiți special pentru jocul din acel an. În meciul de joc, robotul se mișcă autonom în primele 15 secunde de joc (deși anumiți ani, cum ar fi Deep Space din 2019, modifică această regulă) și este acționat manual pentru restul meciului.

Competiții pentru studenții mai în vârstă

Diferitele competiții RoboCup includ echipe de adolescenți și studenți. Aceste competiții se concentrează pe competiții de fotbal cu diferite tipuri de roboți, competiții de dans și competiții de căutare și salvare urbană. Toți roboții din aceste competiții trebuie să fie autonome. Unele dintre aceste competiții se concentrează pe roboți simulați.

AUVSI organizează concursuri pentru roboți zburători , bărci robot și roboți subacvatici .

Student AUV Competition Europe (SAUC-E) atrage în principal echipe de studenți și absolvenți. La fel ca în competițiile AUVSI, roboții trebuie să fie pe deplin autonomi în timp ce participă la competiție.

Microtransat Challenge este o competiție pentru a naviga cu o barcă peste Oceanul Atlantic.

Competiții deschise oricui

RoboGames este deschis oricui dorește să concureze în cele peste 50 de categorii de competiții de roboți.

Federația Asociației Internaționale de Fotbal Robot organizează competițiile Cupei Mondiale FIRA. Există competiții de robot zburător, competiții de fotbal robot și alte provocări, inclusiv bile de ridicare a greutăților realizate din dibluri și CD-uri.

Programe robotice după școală

Multe școli din întreaga țară încep să adauge programe de robotică la programa lor școlară. Unele programe majore pentru robotica afterschool includ FIRST Robotics Competition , Botball și BEST Robotics. Concursurile de robotică includ adesea aspecte ale afacerii și marketingului, precum și inginerie și proiectare.

Compania Lego a început un program pentru ca copiii să învețe și să se entuziasmeze de robotică de la o vârstă fragedă.

Robotică educațională decolonială

Robotica educațională decolonială este o ramură a tehnologiei decoloniale și a AI decoloniale, practicate în diferite locuri din întreaga lume. Această metodologie este rezumată în teorii și practici pedagogice, cum ar fi Pedagogia oprimatului și metodele Montessori . Și își propune să predea robotica din cultura locală, să pluralizeze și să amestece cunoștințele tehnologice.

Ocuparea forței de muncă

Un tehnician robot construiește roboți mici pentru toate terenurile. (Amabilitatea: MobileRobots, Inc.)

Robotica este o componentă esențială în multe medii moderne de fabricație. Pe măsură ce fabricile își sporesc utilizarea roboților, numărul locurilor de muncă legate de robotică crește și s-a observat că este în continuă creștere. Angajarea roboților în industrii a sporit productivitatea și economiile de eficiență și este de obicei privită ca o investiție pe termen lung pentru binefăcători. O lucrare a lui Michael Osborne și  Carl Benedikt Frey a  constatat că 47 la sută din locurile de muncă din SUA sunt expuse riscului automatizării „pe o perioadă nespecificată de ani”. Aceste afirmații au fost criticate pe motiv că politica socială, nu AI, provoacă șomaj. Într-un articol din 2016 publicat în The Guardian, Stephen Hawking declara „Automatizarea fabricilor a decimat deja locurile de muncă în industria de fabricație tradițională, iar creșterea inteligenței artificiale va extinde această distrugere a locurilor de muncă adânc în clasele de mijloc, cu doar cei mai atenți, creativi sau roluri de supraveghere rămase ".

Potrivit unui raport GlobalData din septembrie 2021, industria roboticii valora 45 miliarde de dolari în 2020 și, până în 2030, va crește cu o rată de creștere anuală compusă (CAGR) de 29% până la 568 miliarde de dolari, conducând la locuri de muncă în robotică și industriile conexe.

Implicații privind securitatea și sănătatea în muncă

Un document de discuție elaborat de EU-OSHA subliniază modul în care răspândirea roboticii prezintă atât oportunități, cât și provocări pentru securitatea și sănătatea în muncă (SSM).

Cele mai mari beneficii SSM care rezultă din utilizarea mai largă a roboticii ar trebui să fie înlocuirea persoanelor care lucrează în medii nesănătoase sau periculoase. În spațiu, apărare, securitate sau industria nucleară, dar și în logistică, întreținere și inspecție, roboții autonomi sunt deosebit de utili în înlocuirea lucrătorilor umani care îndeplinesc sarcini murdare, plictisitoare sau nesigure, evitând astfel expunerea lucrătorilor la agenți și condiții periculoase și reducerea riscurilor fizice, ergonomice și psihosociale. De exemplu, roboții sunt deja folosiți pentru a efectua sarcini repetitive și monotone, pentru a manipula material radioactiv sau pentru a lucra în atmosfere explozive. În viitor, multe alte sarcini extrem de repetitive, riscante sau neplăcute vor fi îndeplinite de roboți într-o varietate de sectoare, cum ar fi agricultura, construcțiile, transporturile, asistența medicală, stingerea incendiilor sau serviciile de curățenie.

În ciuda acestor progrese, există anumite abilități la care oamenii vor fi mai potriviți decât mașinile pentru o perioadă de timp viitoare și întrebarea este cum să realizăm cea mai bună combinație de abilități umane și robotice. Avantajele roboticii includ lucrări grele cu precizie și repetabilitate, în timp ce avantajele oamenilor includ creativitatea, luarea deciziilor, flexibilitatea și adaptabilitatea. Această nevoie de a combina abilitățile optime a dus la roboții colaborativi și la oamenii care împărtășesc mai îndeaproape un spațiu de lucru comun și a condus la dezvoltarea de noi abordări și standarde pentru a garanta siguranța „fuziunii om-robot”. Unele țări europene includ robotica în programele lor naționale și încearcă să promoveze o cooperare sigură și flexibilă între roboți și operatori pentru a obține o productivitate mai bună. De exemplu, Institutul Federal German pentru Securitate și Sănătate în Muncă ( BAuA ) organizează ateliere anuale pe tema „colaborare om-robot”.

În viitor, cooperarea dintre roboți și oameni va fi diversificată, roboții crescându-și autonomia, iar colaborarea om-robot atingând forme complet noi. Abordările actuale și standardele tehnice care vizează protejarea angajaților de riscul de a lucra cu roboți colaborativi vor trebui revizuite.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

  • R. Andrew Russell (1990). Detectarea tactilă a robotului . New York: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-781592-0.
  • E McGaughey, „Roboții îți vor automatiza munca? Ocuparea deplină, venitul de bază și democrația economică ”(2018) SSRN, partea 2 (3)
  • DH Autor, „De ce mai sunt atât de multe locuri de muncă? The History and Future of Workplace Automation "(2015) 29 (3) Journal of Economic Perspectives 3
  • Tooze, Adam , „Democrația și nemulțumirile sale”, The New York Review of Books , vol. LXVI, nr. 10 (6 iunie 2019), pp. 52-53, 56-57. "Democrația nu are un răspuns clar pentru funcționarea fără minte a puterii birocratice și tehnologice . S-ar putea să asistăm într-adevăr la extinderea acesteia sub formă de inteligență artificială și robotică. La fel, după decenii de avertismente serioase, problema mediului rămâne fundamental neadresată ... Excesul birocratic și catastrofa de mediu sunt tocmai genul de provocări existențiale cu mișcare lentă cu care democrațiile se confruntă foarte prost ... În cele din urmă, există amenințarea du jour: corporațiile și tehnologiile pe care le promovează. " (pp. 56-57.)

linkuri externe