Robotik

"Roboticist" omdirigerar hit. Ej att förväxla med Cyberneticist .
Ej att förväxla med cybernetik .
Robothandsystemet Shadow _
Robot arm icon.svg
Del av en serie om
Automation
Automation i allmänhet
Robotik och robotar
Effekten av automatisering
Mässor och utmärkelser

Robotik är en tvärvetenskaplig gren av datavetenskap och teknik . Robotik involverar design, konstruktion, drift och användning av robotar . Målet med robotik är att designa maskiner som kan hjälpa och hjälpa människor. Robotics integrerar områdena maskinteknik , elektroteknik , informationsteknik , mekatronikteknik , elektronik , biomedicinsk teknik , datorteknik , styrsystemsteknik , mjukvaruteknik , matematik , etc.

Robotics utvecklar maskiner som kan ersätta människor och replikera mänskliga handlingar. Robotar kan användas i många situationer för många ändamål, men idag används många i farliga miljöer (inklusive inspektion av radioaktiva material, bombdetektering och deaktivering ), tillverkningsprocesser, eller där människor inte kan överleva (t.ex. i rymden, under vattnet, i höga värme, samt sanering och inneslutning av farliga material och strålning). Robotar kan ta vilken form som helst, men vissa är gjorda för att likna människor till utseendet. Detta påstås hjälpa till att acceptera robotar i vissa replikativa beteenden som vanligtvis utförs av människor. Sådana robotar försöker replikera gång, lyft, tal, kognition eller andra uppgifter som huvudsakligen utförs av en människa. Många av dagens robotar är inspirerade av naturen och bidrar till området bioinspirerad robotik .

Vissa robotar kräver användarinput för att fungera, medan andra robotar fungerar autonomt. Konceptet med att skapa robotar som kan arbeta autonomt går tillbaka till klassisk tid , men forskning om robotars funktionalitet och potentiella användningsområden växte inte avsevärt förrän på 1900-talet. Genom historien har det ofta antagits av olika forskare, uppfinnare, ingenjörer och tekniker att robotar en dag kommer att kunna härma mänskligt beteende och hantera uppgifter på ett mänskligt sätt. Idag är robotteknik ett snabbt växande område, allt eftersom tekniska framsteg fortsätter; att forska, designa och bygga nya robotar tjänar olika praktiska syften, oavsett om det är inhemskt , kommersiellt eller militärt . Många robotar är byggda för att utföra jobb som är farliga för människor, som att desarmera bomber, hitta överlevande i instabila ruiner och utforska gruvor och skeppsvrak. Robotik används också i STEM ( vetenskap , teknik , teknik och matematik ) som ett läromedel.

Etymologi

Ordet robotik härrörde från ordet robot , som introducerades för allmänheten av den tjeckiske författaren Karel Čapek i hans pjäs RUR (Rossums universella robotar) , som gavs ut 1920. Ordet robot kommer från det slaviska ordet robota , som betyder arbete /jobb. Pjäsen börjar i en fabrik som tillverkar konstgjorda människor som kallas robotar , varelser som kan misstas för människor – mycket liknar androidernas moderna idéer . Karel Čapek själv myntade inte ordet. Han skrev ett kort brev med hänvisning till en etymologi i Oxford English Dictionary där han namngav sin bror Josef Čapek som dess egentliga upphovsman.

Enligt Oxford English Dictionary användes ordet robotik först i tryck av Isaac Asimov , i hans science fiction- novell "Liar!" , publicerad i maj 1941 i Astounding Science Fiction . Asimov var omedveten om att han myntade termen; eftersom vetenskapen och tekniken för elektriska anordningar är elektronik , antog han att robotik redan hänvisade till robotars vetenskap och teknik. I några av Asimovs andra verk uppger han att den första användningen av ordet robotik var i hans novell Runaround ( Astounding Science Fiction , mars 1942), där han introducerade sitt koncept The Three Laws of Robotics . Men den ursprungliga publiceringen av "Liar!" föregår "Runaround" med tio månader, så det förra nämns i allmänhet som ordets ursprung.

Historia

Se även: Robotars historia

1948 formulerade Norbert Wiener principerna för cybernetik , grunden för praktisk robotik.

Helt autonoma robotar dök upp först under andra hälften av 1900-talet. Den första digitalt styrda och programmerbara roboten, Unimate , installerades 1961 för att lyfta heta metallbitar från en pressgjutningsmaskin och stapla dem. Kommersiella och industriella robotar är utbredda idag och används för att utföra jobb billigare, mer exakt och mer tillförlitligt än människor. De är också anställda i vissa jobb som är för smutsiga, farliga eller tråkiga för att vara lämpliga för människor. Robotar används i stor utsträckning inom tillverkning , montering, packning och förpackning, gruvdrift, transport, jord- och rymdutforskning , kirurgi, vapen, laboratorieforskning , säkerhet och massproduktion av konsument- och industrivaror .

Datum Betydelse Robotens namn Uppfinnare
Tredje århundradet f.Kr. och tidigare En av de tidigaste beskrivningarna av automater förekommer i Lie Zi- texten, vid ett mycket tidigare möte mellan kung Mu av Zhou (1023–957 f.Kr.) och en maskiningenjör känd som Yan Shi, en "konstnär". Den sistnämnde ska ha gett kungen en människoformad figur av hans mekaniska hantverk i naturlig storlek. Yan Shi (kinesiska: 偃师 )
Första århundradet e.Kr. och tidigare Beskrivningar av mer än 100 maskiner och automater, inklusive en brandbil, en vindorgel, en myntdriven maskin och en ångdriven motor, i Pneumatica och Automata av Heron of Alexandria Ctesibius , Philo of Byzantium , Heron of Alexandria och andra
c. 420 f.Kr En trä, ångdriven fågel, som kunde flyga Flygande duva Archytas av Tarentum
1206 Skapade tidiga humanoida automater, programmerbart automatband Robotband, handtvättautomat, automatiserade rörliga påfåglar Al-Jazari
1495 Designar för en humanoid robot Mekanisk riddare Leonardo Da Vinci
1560-talet Clockwork Prayer som hade maskinfötter byggda under sina klädnader som imiterade promenader. Robotens ögon, läppar och huvud rör sig alla i verklighetstrogna gester. Clockwork Prayer [ citat behövs ] Gianello della Torre
1738 Mekanisk anka som kunde äta, flaxa med vingarna och utsöndra Digesting Anka Jacques de Vaucanson
1898 Nikola Tesla demonstrerar det första radiostyrda fartyget. Teleautomat Nikola Tesla
1903 Leonardo Torres y Quevedo presenterade Telekino vid Paris Academy of Science , som bestod av en robot som utförde kommandon som överfördes av elektromagnetiska vågor. Telekino Leonardo Torres och Quevedo
1912 Leonardo Torres y Quevedo bygger den första riktigt autonoma maskinen som kan spela schack. Till skillnad från de mänskligt drivna The Turk and Ajeeb var El Ajedrecista en automat som spelade schack utan mänsklig vägledning . Den spelade bara ett slutspel med tre schackpjäser , vilket automatiskt flyttade en vit kung och ett torn till schackmatt den svarta kungen som flyttades av en mänsklig motståndare. El Ajedrecista Leonardo Torres och Quevedo
1914 I sin artikel Essays on Automatics publicerad 1914 föreslog Leonardo Torres y Quevedo en maskin som gör "bedömningar" med hjälp av sensorer som fångar information från utsidan, delar som manipulerar omvärlden som armar, kraftkällor som batterier och lufttryck, och den viktigaste, fångad information och tidigare information. Det definieras som en del som kan styra reaktionen hos en levande varelse enligt extern information och anpassa sig till förändringar i miljön för att ändra dess beteende. Uppsatser om automatik Leonardo Torres och Quevedo
1921 De första fiktiva automaterna som kallas "robotar" dyker upp i pjäsen RUR Rossums Universal Robots Karel Čapek
1930-talet Humanoid robot utställd på världsutställningarna 1939 och 1940 Elektro Westinghouse Electric Corporation
1946 Den första digitala datorn för allmänt bruk Virvelvind Flera personer
1948 Enkla robotar som uppvisar biologiska beteenden Elsie och Elmer William Grey Walter
1956 Första kommersiella roboten, från Unimation-företaget grundat av George Devol och Joseph Engelberger , baserad på Devols patent Unimate George Devol
1961 Först installerad industrirobot. Unimate George Devol
1967 till 1972 Första fullskaliga humanoid intelligenta roboten, och första Android . Dess lemkontrollsystem gjorde det möjligt för den att gå med de nedre extremiteterna och greppa och transportera föremål med händerna med hjälp av taktila sensorer. Dess synsystem gjorde det möjligt för den att mäta avstånd och riktningar till föremål med hjälp av externa receptorer, konstgjorda ögon och öron. Och dess konversationssystem gjorde det möjligt för den att kommunicera med en person på japanska, med en konstgjord mun. WABOT-1 Waseda universitet
1973 Första industrirobot med sex elektromekaniskt drivna axlar Famulus KUKA Robot Group
1974 Världens första mikrodatorstyrda elektriska industrirobot, IRB 6 från ASEA, levererades till ett litet verkstadsföretag i södra Sverige. Konstruktionen av denna robot hade patenterats redan 1972. IRB 6 ABB Robot Group
1975 Programmerbar universell manipulationsarm, en Unimation-produkt PUMA Victor Scheinman
1978 Det första robotprogrammeringsspråket på objektnivå, som låter robotar hantera variationer i objektposition, form och sensorbrus. Freddy I och II, RAPT robotprogrammeringsspråk Patricia Ambler och Robin Popplestone
1983 Första multitasking, det parallella programmeringsspråket som används för robotstyrning. Det var Event Driven Language (EDL) på IBM/Series/1 processdatorn, med implementering av både interprocesskommunikation (WAIT/POST) och ömsesidig uteslutning (ENQ/DEQ) mekanismer för robotstyrning. ADRIEL I Stevo Bozinovski och Mihail Sestakov

Robotaspekter

Mekanisk konstruktion
Elektrisk aspekt
En nivå av programmering

Det finns många typer av robotar; de används i många olika miljöer och för många olika användningsområden. Även om de är väldigt olika i applikation och form, delar de alla tre grundläggande likheter när det kommer till deras konstruktion:

  1. Robotar har alla någon form av mekanisk konstruktion, en ram, form eller form utformad för att utföra en viss uppgift. Till exempel kan en robot utformad för att färdas över tung smuts eller lera använda larvband . Den mekaniska aspekten av roboten är mestadels skaparens lösning för att slutföra den tilldelade uppgiften och hantera fysiken i miljön runt den. Form följer funktion.
  2. Robotar har elektriska komponenter som driver och styr maskineriet. Till exempel skulle roboten med larvband behöva någon form av kraft för att flytta spårens slitbanor. Den kraften kommer i form av elektricitet, som måste gå genom en tråd och härröra från ett batteri, en grundläggande elektrisk krets . Även bensindrivna maskiner som får sin kraft huvudsakligen från bensin kräver fortfarande en elektrisk ström för att starta förbränningsprocessen, vilket är anledningen till att de flesta bensindrivna maskiner som bilar har batterier. Den elektriska aspekten av robotar används för rörelse (genom motorer), avkänning (där elektriska signaler används för att mäta saker som värme, ljud, position och energistatus) och drift (robotar behöver en viss nivå av elektrisk energi som tillförs sina motorer och sensorer för att aktivera och utföra grundläggande operationer)
  3. Alla robotar innehåller någon nivå av datorprogrammeringskod . Ett program är hur en robot bestämmer när eller hur något ska göras. I exemplet med larvspår kan en robot som behöver förflytta sig över en lerig väg ha rätt mekanisk konstruktion och få rätt mängd ström från sitt batteri, men skulle inte kunna åka någonstans utan ett program som säger åt den att röra sig. Program är kärnan i en robot, den kan ha utmärkt mekanisk och elektrisk konstruktion, men om dess program är dåligt strukturerat kommer dess prestanda att vara mycket dålig (eller så kanske den inte fungerar alls). Det finns tre olika typer av robotprogram: fjärrkontroll, artificiell intelligens och hybrid. En robot med fjärrkontrollprogrammering har en redan existerande uppsättning kommandon som den bara kommer att utföra om och när den tar emot en signal från en kontrollkälla, vanligtvis en människa med fjärrkontroll. Det är kanske mer lämpligt att se enheter som i första hand styrs av mänskliga kommandon som faller inom disciplinen automation snarare än robotik. Robotar som använder artificiell intelligens interagerar med sin omgivning på egen hand utan en kontrollkälla och kan avgöra reaktioner på objekt och problem som de stöter på med hjälp av sin redan existerande programmering. En hybrid är en form av programmering som innehåller både AI- och RC-funktioner i dem.

Ansökningar

Eftersom fler och fler robotar designas för specifika uppgifter, blir denna klassificeringsmetod mer relevant. Till exempel är många robotar designade för monteringsarbete, vilket kanske inte är lätt att anpassa för andra applikationer. De kallas "monteringsrobotar". För sömsvetsning tillhandahåller vissa leverantörer kompletta svetssystem med roboten, dvs svetsutrustningen tillsammans med andra materialhanteringsanläggningar som skivspelare etc. som en integrerad enhet. Ett sådant integrerat robotsystem kallas en "svetsrobot" även om dess diskreta manipulatorenhet skulle kunna anpassas till en mängd olika uppgifter. Vissa robotar är speciellt utformade för hantering av tung last och är märkta som "heavy-duty robotar".

Aktuella och potentiella applikationer inkluderar:

Komponenter

Kraftkälla

Ytterligare information: Strömförsörjning och Energilagring
InSight - landaren med solpaneler utplacerade i ett renrum

För närvarande används mestadels (bly-syra) batterier som strömkälla. Många olika typer av batterier kan användas som strömkälla för robotar. De sträcker sig från bly-syra-batterier, som är säkra och har relativt lång hållbarhet men är ganska tunga jämfört med silver-kadmium-batterier som är mycket mindre i volym och för närvarande är mycket dyrare. Att designa en batteridriven robot måste ta hänsyn till faktorer som säkerhet, cykellivslängd och vikt . Generatorer, ofta någon typ av förbränningsmotor , kan också användas. Sådana konstruktioner är emellertid ofta mekaniskt komplexa och kräver bränsle, kräver värmeavledning och är relativt tunga. En tjuder som ansluter roboten till en strömkälla skulle ta bort strömförsörjningen från roboten helt. Detta har fördelen att spara vikt och utrymme genom att flytta alla kraftgenererings- och lagringskomponenter någon annanstans. Denna design kommer dock med nackdelen att ständigt ha en kabel ansluten till roboten, vilket kan vara svårt att hantera. Potentiella strömkällor kan vara:

Aktivering

Huvudartikel: Ställdon
Ett robotben som drivs av luftmuskler

Ställdon är " musklerna " i en robot, de delar som omvandlar lagrad energi till rörelse. De överlägset populäraste ställdonen är elmotorer som roterar ett hjul eller växel, och linjära ställdon som styr industrirobotar i fabriker. Det finns några nya framsteg inom alternativa typer av ställdon, som drivs av elektricitet, kemikalier eller tryckluft.

Elektriska motorer

Huvudartikel: Elmotor

De allra flesta robotar använder elektriska motorer , ofta borstade och borstlösa DC-motorer i bärbara robotar eller AC-motorer i industrirobotar och CNC- maskiner. Dessa motorer är ofta att föredra i system med lättare belastningar, och där den dominerande formen av rörelse är roterande.

Linjära ställdon

Huvudartikel: Linjärt ställdon

Olika typer av linjära ställdon rör sig in och ut istället för genom att snurra, och har ofta snabbare riktningsändringar, särskilt när mycket stora krafter behövs som med industriell robotik. De drivs vanligtvis av komprimerad och oxiderad luft ( pneumatiskt ställdon ) eller en olja ( hydrauliskt ställdon ). Linjära ställdon kan också drivas av elektricitet som vanligtvis består av en motor och en ledarskruv. En annan vanlig typ är ett mekaniskt linjärt ställdon som vrids för hand, till exempel en kuggstång på en bil.

Serie av elastiska ställdon

Serie elastisk aktivering (SEA) bygger på idén att införa avsiktlig elasticitet mellan motormanöverdonet och lasten för robust kraftkontroll. På grund av den resulterande lägre reflekterade trögheten förbättrar serieelastisk aktivering säkerheten när en robot interagerar med miljön (t.ex. människor eller arbetsstycken) eller under kollisioner. Dessutom ger den också energieffektivitet och stötdämpning (mekanisk filtrering) samtidigt som det minskar överdrivet slitage på transmissionen och andra mekaniska komponenter. Detta tillvägagångssätt har framgångsrikt använts i olika robotar, särskilt avancerade tillverkningsrobotar och gående humanoida robotar.

Regulatordesignen av ett serieelastiskt ställdon utförs oftast inom passivitetsramen eftersom det säkerställer säkerheten för interaktion med ostrukturerade miljöer. Trots sin anmärkningsvärda stabilitet och robusthet lider detta ramverk av de stränga begränsningar som åläggs styrenheten, vilket kan kompromissa med prestanda. Läsaren hänvisas till följande undersökning som sammanfattar de gemensamma styrararkitekturerna för SEA tillsammans med motsvarande tillräckliga passivitetsvillkor. En nyligen genomförd studie har härlett de nödvändiga och tillräckliga passivitetsvillkoren för en av de vanligaste impedansstyrningsarkitekturerna , nämligen hastighetsbaserad SEA. Detta arbete är av särskild vikt eftersom det driver de icke-konservativa passivitetsgränserna i ett SEA-schema för första gången som tillåter ett större urval av kontrollvinster.

Luftmuskler

Huvudartikel: Pneumatiska konstgjorda muskler

Pneumatiska konstgjorda muskler, även känd som luftmuskler, är speciella rör som expanderar (vanligtvis upp till 42%) när luft tvingas in i dem. De används i vissa robotapplikationer.

Trådmuskler

Huvudartikel: Formminneslegering

Muskeltråd, även känd som formminneslegering, Nitinol® eller Flexinol®-tråd, är ett material som drar ihop sig (under 5%) när elektricitet appliceras. De har använts för några små robotapplikationer.

Elektroaktiva polymerer

Huvudartikel: Elektroaktiva polymerer

EAP eller EPAM är ett plastmaterial som kan dra ihop sig kraftigt (upp till 380 % aktiveringsbelastning) från elektricitet och har använts i ansiktsmuskler och armar på humanoida robotar, och för att göra det möjligt för nya robotar att flyta, flyga, simma eller gå.

Piezomotorer

Huvudartikel: Piezoelektrisk motor

Nya alternativ till DC-motorer är piezomotorer eller ultraljudsmotorer . Dessa fungerar enligt en fundamentalt annorlunda princip, där små piezokeramiska element, som vibrerar många tusen gånger per sekund, orsakar linjär eller roterande rörelse. Det finns olika funktionsmekanismer; en typ använder vibrationerna från piezoelementen för att stega motorn i en cirkel eller en rak linje. En annan typ använder piezoelementen för att få en mutter att vibrera eller för att driva en skruv. Fördelarna med dessa motorer är nanometerupplösning , hastighet och tillgänglig kraft för deras storlek. Dessa motorer är redan tillgängliga kommersiellt och används på vissa robotar.

Elastiska nanorör

Ytterligare information: Kolnanorör

Elastiska nanorör är en lovande konstgjord muskelteknologi i ett tidigt skede av experimentell utveckling. Frånvaron av defekter i kolnanorör gör att dessa filament kan deformeras elastiskt med flera procent, med energilagringsnivåer på kanske 10 J /cm 3 för metallnanorör. Mänskliga biceps kan ersättas med en 8 mm diameter tråd av detta material. En sådan kompakt "muskel" kan tillåta framtida robotar att springa ifrån och hoppa över människor.

Avkänning

Huvudartiklar: Robotic sensing och Robotic sensors

Sensorer gör att robotar kan ta emot information om ett visst mått på miljön, eller interna komponenter. Detta är viktigt för att robotar ska kunna utföra sina uppgifter och agera på eventuella förändringar i miljön för att beräkna lämplig respons. De används för olika former av mätningar, för att ge robotarna varningar om säkerhet eller felfunktioner och för att ge realtidsinformation om uppgiften den utför.

Rör

Huvudartikel: Taktil sensor

Nuvarande robot- och proteshänder får mycket mindre taktil information än den mänskliga handen. Ny forskning har utvecklat en taktilt sensoruppsättning som efterliknar de mekaniska egenskaperna och beröringsreceptorerna hos mänskliga fingertoppar. Sensoruppsättningen är konstruerad som en stel kärna omgiven av ledande vätska innesluten av en elastomer hud. Elektroder är monterade på ytan av den stela kärnan och är anslutna till en impedansmätningsanordning inuti kärnan. När den konstgjorda huden vidrör ett föremål deformeras vätskebanan runt elektroderna, vilket skapar impedansförändringar som kartlägger de krafter som tas emot från föremålet. Forskarna förväntar sig att en viktig funktion hos sådana konstgjorda fingertoppar kommer att vara att justera robotgreppet på hållna föremål.

Forskare från flera europeiska länder och Israel utvecklade en proteshand 2009, kallad SmartHand, som fungerar som en riktig hand – vilket låter patienter skriva med den, skriva på ett tangentbord , spela piano och utföra andra fina rörelser. Protesen har sensorer som gör att patienten kan känna riktig känsla i fingertopparna.

Ytterligare information: Sensorisk-motorisk karta

Syn

Huvudartikel: Datorseende
Se även: Synbehandlingsenhet

Datorseende är vetenskapen och tekniken för maskiner som ser. Som en vetenskaplig disciplin handlar datorseende om teorin bakom artificiella system som extraherar information från bilder. Bilddata kan ta många former, såsom videosekvenser och visningar från kameror.

I de flesta praktiska datorseendeapplikationer är datorerna förprogrammerade för att lösa en viss uppgift, men metoder baserade på lärande blir nu allt vanligare.

Datorseendesystem förlitar sig på bildsensorer som upptäcker elektromagnetisk strålning som vanligtvis är i form av antingen synligt ljus eller infrarött ljus . Sensorerna är designade med hjälp av halvledarfysik . Processen genom vilken ljus fortplantas och reflekteras från ytor förklaras med hjälp av optik . Sofistikerade bildsensorer kräver till och med kvantmekanik för att ge en fullständig förståelse av bildbildningsprocessen. Robotar kan också utrustas med flera synsensorer för att bättre kunna beräkna känslan av djup i omgivningen. Precis som mänskliga ögon måste robotars "ögon" också kunna fokusera på ett visst intresseområde, och även anpassa sig till variationer i ljusintensiteter.

Det finns ett delfält inom datorseende där artificiella system är designade för att efterlikna bearbetningen och beteendet hos biologiska system , på olika nivåer av komplexitet. Vissa av de lärandebaserade metoder som utvecklats inom datorseende har också en bakgrund inom biologi.

Övrig

Andra vanliga former av avkänning inom robotik använder lidar, radar och ekolod. Lidar mäter avståndet till ett mål genom att belysa målet med laserljus och mäta det reflekterade ljuset med en sensor. Radar använder radiovågor för att bestämma objekts räckvidd, vinkel eller hastighet. Sonar använder ljudutbredning för att navigera, kommunicera med eller upptäcka föremål på eller under vattenytan.

Manipulation

KUKA industrirobot som arbetar i ett gjuteri
Puma, en av de första industrirobotarna
Baxter, en modern och mångsidig industrirobot utvecklad av Rodney Brooks
Lefty, första pjäs som spelar robot
Ytterligare information: Mobil manipulator

En definition av robotmanipulation har tillhandahållits av Matt Mason som: "manipulation hänvisar till en agents kontroll över sin miljö genom selektiv kontakt".

Robotar måste manipulera föremål; plocka upp, ändra, förstöra eller på annat sätt påverka. Således den funktionella änden av en robotarm som är avsedd att göra effekten (oavsett om det är en hand eller ett verktyg) kallas ofta för sluteffektorer , medan "armen" kallas en manipulator . De flesta robotarmar har utbytbara sluteffektorer, var och en gör att de kan utföra ett litet antal uppgifter. Vissa har en fast manipulator som inte kan ersättas, medan några har en mycket allmän manipulator, till exempel en humanoid hand.

Mekaniska gripdon

En av de vanligaste typerna av sluteffektorer är "gripare". I sin enklaste manifestation består den av bara två fingrar som kan öppnas och stängas för att plocka upp och släppa en rad små föremål. Fingrar kan till exempel vara gjorda av en kedja med en metalltråd som löper genom den. Händer som liknar och fungerar mer som en mänsklig hand inkluderar Shadow Hand och Robonaut -handen. Händer som har en komplexitet på mellannivå inkluderar Delft- handen. Mekaniska gripdon kan komma i olika typer, inklusive friktion och omslutande käftar. Friktionsbackar använder all kraft från griparen för att hålla föremålet på plats med hjälp av friktion. Omslutande käftar vaggar föremålet på plats, med mindre friktion.

Sugsluteffektorer

Sugsluteffektorer, som drivs av vakuumgeneratorer, är mycket enkla sammandragningsanordningar som kan hålla mycket stora belastningar förutsatt att förspänningsytan är tillräckligt jämn för att säkerställa sug.

Välj och placera robotar för elektroniska komponenter och för stora föremål som bilvindrutor, använder ofta mycket enkla vakuumeffektorer.

Sug är en mycket använd typ av sluteffektorer inom industrin, delvis för att den naturliga följsamheten hos mjuka sugeffektorer kan göra det möjligt för en robot att vara mer robust i närvaro av ofullständig robotuppfattning. Som ett exempel: överväg fallet med ett robotvisionssystem som uppskattar positionen för en vattenflaska men har 1 centimeters fel. Även om detta kan få en stel mekanisk gripare att punktera vattenflaskan, kan den mjuka sugeffektorn bara böjas något och anpassa sig till formen på vattenflaskans yta.

Effektorer för allmänna ändamål

Vissa avancerade robotar börjar använda helt humanoida händer, som Shadow Hand, MANUS och Schunk-handen. Dessa är mycket skickliga manipulatorer, med så många som 20 grader av frihet och hundratals taktila sensorer.

Förflyttning

Huvudartiklar: Robotrörelse och mobil robot

Rullande robotar

Segway i Robotmuseet i Nagoya

För enkelhetens skull har de flesta mobila robotar fyra hjul eller ett antal kontinuerliga spår . Vissa forskare har försökt skapa mer komplexa hjulrobotar med bara ett eller två hjul. Dessa kan ha vissa fördelar som högre effektivitet och minskade delar, samt att låta en robot navigera på trånga platser som en fyrhjulig robot inte skulle kunna.

Tvåhjuliga balanseringsrobotar

Balanserande robotar använder i allmänhet ett gyroskop för att upptäcka hur mycket en robot faller och driver sedan hjulen proportionellt i samma riktning, för att motverka fallet med hundratals gånger per sekund, baserat på dynamiken hos en inverterad pendel . Många olika balanseringsrobotar har designats. Även om Segway inte vanligtvis betraktas som en robot, kan den ses som en komponent i en robot, när den används som sådan, hänvisar Segway till dem som RMP (Robotic Mobility Platform). Ett exempel på denna användning har varit som NASA :s Robonaut som har monterats på en Segway.

Enhjuliga balanseringsrobotar
Huvudartikel: Självbalanserande enhjuling

En enhjulsbalanseringsrobot är en förlängning av en tvåhjulig balanseringsrobot så att den kan röra sig i vilken 2D-riktning som helst med en rund boll som enda hjul. Flera enhjuliga balanseringsrobotar har designats nyligen, som Carnegie Mellon Universitys " Ballbot " som är den ungefärliga höjden och bredden på en person, och Tohoku Gakuin Universitys "BallIP". På grund av den långa, tunna formen och förmågan att manövrera i trånga utrymmen har de potential att fungera bättre än andra robotar i miljöer med människor.

Sfäriska orb-robotar
Huvudartikel: Sfärisk robot

Flera försök har gjorts i robotar som är helt inne i en sfärisk boll, antingen genom att snurra en vikt inuti bollen, eller genom att rotera sfärens yttre skal. Dessa har också kallats en orb bot eller en ball bot.

Sexhjuliga robotar

Att använda sex hjul istället för fyra hjul kan ge bättre grepp eller grepp i utomhusterräng som på stenig smuts eller gräs.

Spårade robotar
TALON militärrobotar som används av USA:s armé

Tankbanor ger ännu mer dragkraft än en sexhjulig robot. Bandhjul beter sig som om de vore gjorda av hundratals hjul, därför är det mycket vanligt för utomhus- och militärrobotar, där roboten måste köra i mycket ojämn terräng. Däremot är de svåra att använda inomhus som på mattor och släta golv. Exempel inkluderar NASA:s Urban Robot "Urbie".

Walking tillämpas på robotar

Att gå är ett svårt och dynamiskt problem att lösa. Det har tillverkats flera robotar som kan gå tillförlitligt på två ben, men ingen har ännu tillverkats som är lika robusta som en människa. Det har gjorts mycket studier om mänskligt inspirerad gång, till exempel AMBER lab som etablerades 2008 av Mechanical Engineering Department vid Texas A&M University. Många andra robotar har byggts som går på mer än två ben, eftersom dessa robotar är betydligt lättare att konstruera. Gårobotar kan användas för ojämn terräng, vilket skulle ge bättre rörlighet och energieffektivitet än andra förflyttningsmetoder. Vanligtvis kan robotar på två ben gå bra på plana golv och kan ibland gå uppför trappor . Ingen kan gå över stenig, ojämn terräng. Några av metoderna som har prövats är:

ZMP-teknik
Huvudartikel: Noll momentpunkt

Nollmomentpunkten (ZMP) är den algoritm som används av robotar som Hondas ASIMO . Robotens inbyggda dator försöker hålla de totala tröghetskrafterna (kombinationen av jordens gravitation och accelerationen och inbromsningen av gång), exakt motsatta av golvets reaktionskraft ( kraften från golvet som trycker tillbaka på robotens fot). På detta sätt tar de två krafterna ut och lämnar inget ögonblick (kraft som får roboten att rotera och falla omkull). Men det är inte exakt hur en människa går, och skillnaden är uppenbar för mänskliga observatörer, av vilka några har påpekat att ASIMO går som om den behöver toaletten . ASIMOs gångalgoritm är inte statisk, och viss dynamisk balansering används (se nedan). Det kräver dock fortfarande en slät yta att gå på.

Hoppande

Flera robotar, byggda på 1980-talet av Marc Raibert vid MIT Leg Laboratory, visade framgångsrikt mycket dynamisk gång. Till en början kunde en robot med bara ett ben och en mycket liten fot hålla sig upprätt genom att bara hoppa . Rörelsen är densamma som för en person på en pogopinne . När roboten faller åt sidan hoppar den lätt åt det hållet för att fånga sig själv. Snart generaliserades algoritmen till två och fyra ben. En tvåfotsrobot demonstrerades springa och till och med utföra volter . En fyrfoting demonstrerades också som kunde trava , springa, tempo och sätta. För en fullständig lista över dessa robotar, se sidan MIT Leg Lab Robots.

Dynamisk balansering (kontrollerat fall)

Ett mer avancerat sätt för en robot att gå är att använda en dynamisk balanseringsalgoritm, som potentiellt är mer robust än Zero Moment Point-tekniken, eftersom den ständigt övervakar robotens rörelse och placerar fötterna för att bibehålla stabiliteten. Denna teknik demonstrerades nyligen av Anybots Dexter Robot, som är så stabil att den till och med kan hoppa. Ett annat exempel är TU Delft Flame .

Passiv dynamik
Huvudartikel: Passiv dynamik

Det kanske mest lovande tillvägagångssättet använder passiv dynamik där rörelsemängden från svängande lemmar används för större effektivitet . Det har visat sig att helt kraftlösa humanoida mekanismer kan gå nerför en svag sluttning och bara använda gravitationen för att driva fram sig själva. Med denna teknik behöver en robot bara ge en liten mängd motorkraft för att gå längs en plan yta eller lite mer för att gå uppför en kulle . Denna teknik lovar att göra gående robotar minst tio gånger effektivare än ZMP-rullatorer, som ASIMO.

Andra förflyttningsmetoder

Flygande

Ett modernt passagerarflygplan är i grunden en flygande robot, med två människor för att hantera den. Autopiloten kan styra planet för varje steg av resan, inklusive start, normal flygning och till och med landning . Andra flygande robotar är obebodda och är kända som obemannade flygfarkoster (UAV). De kan vara mindre och lättare utan en mänsklig pilot ombord och flyga in i farligt territorium för militära övervakningsuppdrag. Vissa kan till och med skjuta mot mål under kommando. UAV:er utvecklas också som kan skjuta mot mål automatiskt, utan behov av ett kommando från en människa. Andra flygande robotar inkluderar kryssningsmissiler , Entomoptern och Epsons mikrohelikopterrobot . Robotar som Air Penguin, Air Ray och Air Jelly har kroppar som är lättare än luft, drivs av paddlar och styrs av ekolod.

Snaking
Två robotormar. Den vänstra har 64 motorer (med 2 frihetsgrader per segment), den högra 10.

Flera ormrobotar har framgångsrikt utvecklats. Dessa robotar efterliknar hur riktiga ormar rör sig och kan navigera i mycket trånga utrymmen, vilket innebär att de en dag kan användas för att söka efter människor som är instängda i kollapsade byggnader. Den japanska ormroboten ACM-R5 kan till och med navigera både på land och i vatten.

Skridskoåkning

Ett litet antal skridskorobotar har utvecklats, varav en är en multi-mode gång- och skridskoåkningsanordning. Den har fyra ben, med omotoriserade hjul, som antingen kan trampa eller rulla. En annan robot, Plen, kan använda en miniatyrskateboard eller rullskridskor och åka skridskor över ett skrivbord.

Capuchin, en klätterrobot
Klättrande

Flera olika tillvägagångssätt har använts för att utveckla robotar som har förmågan att klättra på vertikala ytor. Ett tillvägagångssätt efterliknar en mänsklig klättrares rörelser på en vägg med utsprång; justera massans centrum och flytta varje lem i sin tur för att få hävstångseffekt. Ett exempel på detta är Capuchin, byggd av Dr Ruixiang Zhang vid Stanford University, Kalifornien. Ett annat tillvägagångssätt använder den specialiserade tåskyddsmetoden för väggklättrande geckoes , som kan springa på släta ytor som vertikalt glas. Exempel på detta tillvägagångssätt inkluderar Wallbot och Stickybot.

Kinas Technology Daily rapporterade den 15 november 2008 att Dr. Li Hiu Yeung och hans forskargrupp från New Concept Aircraft ( Zhuhai ) Co., Ltd. framgångsrikt hade utvecklat en bionisk geckorobot med namnet " Speedy Freelander ". Enligt Dr. Yeung kunde geckoroboten snabbt klättra upp och ner för en mängd olika byggnadsväggar, navigera genom mark- och väggsprickor och gå upp och ner i taket. Den kunde också anpassa sig till ytorna på slätt glas, grova, klibbiga eller dammiga väggar samt olika typer av metalliska material. Det kan också identifiera och kringgå hinder automatiskt. Dess flexibilitet och hastighet var jämförbar med en naturlig gecko. Ett tredje tillvägagångssätt är att efterlikna rörelsen hos en orm som klättrar på en stolpe.

Simning (Piscine)

Det beräknas att när vissa fiskar simmar kan uppnå en framdrivningseffektivitet som är större än 90 %. Dessutom kan de accelerera och manövrera mycket bättre än någon konstgjord båt eller ubåt och producera mindre buller och vattenstörningar. Därför vill många forskare som studerar undervattensrobotar kopiera denna typ av rörelse. Anmärkningsvärda exempel är Essex University Computer Science Robotic Fish G9 och Robot Tuna byggd av Institute of Field Robotics, för att analysera och matematiskt modellera thunniform motion . Aqua Penguin, designad och byggd av Festo från Tyskland, kopierar den strömlinjeformade formen och framdrivningen av främre "flippers" av pingviner . Festo har också byggt Aqua Ray och Aqua Jelly, som efterliknar rörelsen hos manta ray respektive maneter.

Robotfisk: iSplash -II

2014 utvecklades iSplash -II av doktoranden Richard James Clapham och Prof. Huosheng Hu vid Essex University. Det var den första robotfisken som kunde överträffa riktiga karangiforma fiskar när det gäller genomsnittlig maximal hastighet (mätt i kroppslängder/sekund) och uthållighet, varaktigheten som toppfarten bibehålls. Denna konstruktion uppnådde simhastigheter på 11,6 BL/s (dvs. 3,7 m/s). Den första konstruktionen, iSplash -I (2014) var den första robotplattformen som applicerade en karangiform simrörelse i hela kroppen som visade sig öka simhastigheten med 27 % jämfört med den traditionella metoden med en bakre begränsad vågform.

Segling
Den autonoma segelbåtsroboten Vaimos

Segelbåtsrobotar har också utvecklats för att göra mätningar på havets yta. En typisk segelbåtsrobot är Vaimos byggd av IFREMER och ENSTA-Bretagne. Eftersom framdrivningen av segelbåtsrobotar använder vinden, används batteriernas energi endast till datorn, för kommunikationen och för ställdonen (för att ställa in rodret och seglet). Om roboten är utrustad med solpaneler skulle roboten teoretiskt kunna navigera för evigt. De två huvudtävlingarna för segelbåtsrobotar är WRSC , som äger rum varje år i Europa, och Sailbot .

Miljöinteraktion och navigering

Huvudartiklar: Robotic mapping och Robotic navigation
Radar, GPS och lidar är alla kombinerade för att ge korrekt navigering och undvikande av hinder (fordon utvecklat för 2007 DARPA Urban Challenge ).

Även om en betydande andel av robotarna som tas i bruk idag antingen styrs av människor eller arbetar i en statisk miljö, finns det ett ökande intresse för robotar som kan arbeta autonomt i en dynamisk miljö. Dessa robotar kräver en kombination av navigeringshårdvara och mjukvara för att kunna ta sig igenom sin miljö. I synnerhet kan oförutsedda händelser (t.ex. människor och andra hinder som inte står stilla) orsaka problem eller kollisioner. Vissa mycket avancerade robotar som ASIMO och Meinü robot har särskilt bra hårdvara och mjukvara för robotnavigering. Dessutom kan självkontrollerade bilar , Ernst Dickmanns förarlösa bil , och bidragen i DARPA Grand Challenge , känna av miljön väl och därefter fatta navigeringsbeslut baserat på denna information, inklusive av en svärm av autonoma robotar. De flesta av dessa robotar använder en GPS- navigeringsenhet med waypoints, tillsammans med radar , ibland i kombination med andra sensoriska data såsom lidar , videokameror och tröghetsstyrningssystem för bättre navigering mellan waypoints.

Interaktion mellan människa och robot

Huvudartikel: Interaktion mellan människa och robot
Kismet kan producera en rad olika ansiktsuttryck.

Det senaste inom sensorisk intelligens för robotar kommer att behöva utvecklas i flera storleksordningar om vi vill att robotarna som arbetar i våra hem ska gå längre än att dammsuga golven. Om robotar ska fungera effektivt i hem och andra icke-industriella miljöer, kommer sättet de instrueras att utföra sina jobb, och särskilt hur de kommer att bli tillsagda att sluta, vara av avgörande betydelse. Människorna som interagerar med dem kan ha liten eller ingen utbildning i robotik, så alla gränssnitt måste vara extremt intuitiva. Science fiction-författare antar också vanligtvis att robotar så småningom kommer att kunna kommunicera med människor genom tal , gester och ansiktsuttryck , snarare än ett kommandoradsgränssnitt . Även om tal skulle vara det mest naturliga sättet för människan att kommunicera, är det onaturligt för roboten. Det kommer förmodligen att ta lång tid innan robotar interagerar lika naturligt som den fiktiva C-3PO , eller Data of Star Trek, Next Generation . Även om robotteknikens nuvarande tillstånd inte kan uppfylla standarderna för dessa robotar från science-fiction, kan robotmediekaraktärer (t.ex. Wall-E, R2-D2) framkalla sympatier från publiken som ökar människors vilja att acceptera faktiska robotar i framtiden. Acceptansen av sociala robotar kommer sannolikt också att öka om människor kan träffa en social robot under lämpliga förhållanden. Studier har visat att interaktion med en robot genom att titta på, vidröra eller till och med föreställa sig interaktion med roboten kan minska negativa känslor som vissa människor har om robotar innan de interagerar med dem. Men om redan existerande negativa känslor är särskilt starka, kan interaktion med en robot öka de negativa känslorna mot robotar.

Taligenkänning

Huvudartikel: Taligenkänning

Att tolka det kontinuerliga flödet av ljud som kommer från en människa, i realtid , är en svår uppgift för en dator, mest på grund av talets stora variation . Samma ord, som talas av samma person, kan låta olika beroende på lokal akustik , volym , föregående ord, om högtalaren är förkyld eller inte , etc.. Det blir ännu svårare när högtalaren har en annan accent . Ändå har stora framsteg gjorts på området sedan Davis, Biddulph och Balashek designade det första "röstinmatningssystemet" som kände igen "tio siffror talade av en enda användare med 100 % noggrannhet" 1952. För närvarande kan de bästa systemen känna igen kontinuerligt naturligt tal, upp till 160 ord per minut, med en noggrannhet på 95 %. Med hjälp av artificiell intelligens kan maskiner nuförtiden använda människors röst för att identifiera deras känslor som till exempel nöjd eller arg.

Robotröst

Andra hinder finns när roboten tillåter att använda röst för att interagera med människor. Av sociala skäl syntetisk röst vara suboptimal som kommunikationsmedium, vilket gör det nödvändigt att utveckla den känslomässiga komponenten i robotrösten genom olika tekniker. En fördel med difonisk förgrening är den känsla som roboten är programmerad att projicera, kan bäras på röstbandet eller fonem, redan förprogrammerat på röstmediet. Ett av de tidigaste exemplen är en lärarrobot vid namn Leachim utvecklad 1974 av Michael J. Freeman . Leachim kunde konvertera digitalt minne till rudimentärt verbalt tal på förinspelade datorskivor. Det var programmerat för att undervisa studenter i The Bronx, New York .

Gester

Ytterligare information: Gestigenkänning

Man kan tänka sig att i framtiden förklara för en robotkock hur man gör ett bakverk, eller fråga vägen från en robotpolis. I båda dessa fall skulle göra handgester underlätta de verbala beskrivningarna. I det första fallet skulle roboten känna igen gester gjorda av människan och kanske upprepa dem för bekräftelse. I det andra fallet skulle robotpolisen göra en gest för att indikera "på vägen, sväng sedan höger". Det är troligt att gester kommer att utgöra en del av interaktionen mellan människor och robotar. Många system har utvecklats för att känna igen mänskliga handgester.

Ansiktsuttryck

Ytterligare information: Känsloigenkänning

Ansiktsuttryck kan ge snabb feedback om hur en dialog mellan två människor framskrider, och snart kan de kanske göra detsamma för människor och robotar. Robotiska ansikten har konstruerats av Hanson Robotics med hjälp av deras elastiska polymer som kallas Frubber , vilket tillåter ett stort antal ansiktsuttryck på grund av elasticiteten hos gummiansiktsbeläggningen och inbäddade underjordiska motorer ( servon ). Beläggningen och servon är byggda på en metallskalle . En robot bör veta hur man närmar sig en människa, att döma av deras ansiktsuttryck och kroppsspråk . Huruvida personen är glad, rädd eller galen ser ut påverkar vilken typ av interaktion som förväntas av roboten. På samma sätt kan robotar som Kismet och det nyare tillägget, Nexi, producera en rad ansiktsuttryck, vilket gör att den kan ha meningsfulla sociala utbyten med människor.

Konstgjorda känslor

Konstgjorda känslor kan också genereras, sammansatta av en sekvens av ansiktsuttryck eller gester. Som man kan se från filmen Final Fantasy: The Spirits Within är programmeringen av dessa artificiella känslor komplex och kräver en stor mängd mänsklig observation. För att förenkla denna programmering i filmen skapades förinställningar tillsammans med ett speciellt program. Detta minskade den tid som behövs för att göra filmen. Dessa förinställningar skulle möjligen kunna överföras för användning i verkliga robotar. Ett exempel på en robot med artificiella känslor är Robin the Robot utvecklad av ett armeniskt IT-företag Exper Technologies, som använder sig av AI-baserad peer-to-peer-interaktion. Dess huvudsakliga uppgift är att uppnå känslomässigt välbefinnande, det vill säga att övervinna stress och ångest. Robin tränades i att analysera ansiktsuttryck och använda sitt ansikte för att visa sina känslor givet sammanhanget. Roboten har testats av barn på amerikanska kliniker och observationer visar att Robin ökade aptiten och glädjen hos barn efter att ha träffats och pratat.

Personlighet

Många av science fiction-robotarna har en personlighet , något som kanske eller kanske inte är önskvärt i framtidens kommersiella robotar. Ändå försöker forskare skapa robotar som verkar ha en personlighet: det vill säga de använder ljud, ansiktsuttryck och kroppsspråk för att försöka förmedla ett inre tillstånd, som kan vara glädje, sorg eller rädsla. Ett kommersiellt exempel är Pleo , en leksaksrobotdinosaurie, som kan uppvisa flera uppenbara känslor.

Social intelligens

Socially Intelligent Machines Lab vid Georgia Institute of Technology forskar om nya koncept för vägledd undervisningsinteraktion med robotar. Syftet med projekten är en social robot som lär sig uppgift och mål från mänskliga demonstrationer utan förkunskaper om begrepp på hög nivå. Dessa nya koncept är grundade från kontinuerliga sensordata på låg nivå genom oövervakad inlärning , och uppgiftsmål lärs sedan in med hjälp av en Bayesiansk metod. Dessa begrepp kan användas för att överföra kunskap till framtida uppgifter, vilket resulterar i snabbare inlärning av dessa uppgifter. Resultaten demonstreras av roboten Curi som kan skopa lite pasta från en gryta på en tallrik och servera såsen ovanpå.

Kontrollera

Puppet Magnus , en robotmanipulerad marionett med komplexa kontrollsystem
Experimentell plan robotarm och sensorbaserad robotstyrenhet med öppen arkitektur utvecklad vid Sunderland University, Storbritannien 2000
RuBot II kan manuellt lösa Rubiks kuber.
Ytterligare information: Styrsystem

Den mekaniska strukturen hos en robot måste kontrolleras för att utföra uppgifter. Styrningen av en robot involverar tre distinkta faser - perception , bearbetning och handling ( robotparadigm) . Sensorer ger information om miljön eller själva roboten (t.ex. positionen för dess leder eller dess sluteffektor). Denna information bearbetas sedan för att lagras eller överföras och för att beräkna lämpliga signaler till ställdonen ( motorerna ), som flyttar den mekaniska strukturen för att uppnå den erforderliga samordnade rörelsen eller kraftåtgärderna.

Bearbetningsfasen kan variera i komplexitet. På en reaktiv nivå kan den översätta obearbetad sensorinformation direkt till manöverorgankommandon (t.ex. avfyrande av elektroniska grindar för motorkraft baserade direkt på återkopplingssignaler från kodaren för att uppnå det erforderliga vridmomentet/hastigheten för axeln). Sensorfusion och interna modeller kan först användas för att uppskatta parametrar av intresse (t.ex. positionen för robotens gripdon) från bullriga sensordata. En omedelbar uppgift (som att flytta griparen i en viss riktning tills ett föremål detekteras med en närhetssensor) kan ibland slutas från dessa uppskattningar. Tekniker från styrteorin används i allmänhet för att omvandla uppgifterna på högre nivå till individuella kommandon som driver ställdonen, oftast med hjälp av kinematiska och dynamiska modeller av den mekaniska strukturen.

På längre tidsskalor eller med mer sofistikerade uppgifter kan roboten behöva bygga och resonera med en "kognitiv" modell. Kognitiva modeller försöker representera roboten, världen och hur de två interagerar. Mönsterigenkänning och datorseende kan användas för att spåra föremål. Kartläggningstekniker kan användas för att bygga kartor över världen. Slutligen rörelseplanering och andra artificiella intelligenstekniker användas för att ta reda på hur man ska agera. Till exempel kan en planerare ta reda på hur man utför en uppgift utan att träffa hinder, ramla omkull, etc.

Moderna kommersiella robotstyrsystem är mycket komplexa, integrerar flera sensorer och effektorer, har många interagerande frihetsgrader (DOF) och kräver operatörsgränssnitt, programmeringsverktyg och realtidsmöjligheter. De är ofta sammankopplade med bredare kommunikationsnätverk och är i många fall nu både IoT- aktiverade och mobila. Framsteg mot öppen arkitektur, skiktade, användarvänliga och "intelligenta" sensorbaserade sammankopplade robotar har vuxit fram ur tidigare koncept relaterade till Flexible Manufacturing Systems (FMS), och flera "öppna eller "hybrid" referensarkitekturer finns som hjälper utvecklare av robotstyrning mjukvara och hårdvara för att gå bortom traditionella, tidigare föreställningar om "stängda" robotstyrsystem har föreslagits. Styrenheter med öppen arkitektur sägs bättre kunna möta de växande kraven från ett brett spektrum av robotanvändare, inklusive systemutvecklare, slutanvändare och forskare, och är bättre positionerade för att leverera de avancerade robotkoncepten relaterade till Industry 4.0 . Förutom att använda många etablerade funktioner hos robotstyrenheter, såsom positions-, hastighets- och kraftkontroll av sluteffektorer, möjliggör de även IoT-sammankoppling och implementering av mer avancerade sensorfusions- och kontrolltekniker, inklusive adaptiv kontroll, fuzzy-kontroll och artificiellt neuralt nätverk (ANN)-baserad kontroll. När de implementeras i realtid kan sådana tekniker potentiellt förbättra stabiliteten och prestandan hos robotar som arbetar i okända eller osäkra miljöer genom att göra det möjligt för kontrollsystemen att lära sig och anpassa sig till miljöförändringar. Det finns flera exempel på referensarkitekturer för robotstyrenheter, och även exempel på framgångsrika implementeringar av faktiska robotstyrenheter utvecklade från dem. Ett exempel på en generisk referensarkitektur och tillhörande sammankopplad robot- och kontrollimplementering med öppen arkitektur utvecklades av Michael Short och kollegor vid University of Sunderland i Storbritannien 2000 (bilden till höger). Roboten användes i ett antal forsknings- och utvecklingsstudier, inklusive prototypimplementering av nya avancerade och intelligenta styr- och miljökartläggningsmetoder i realtid.

Autonominivåer

TOPIO , en humanoid robot , spelade pingis på Tokyo IREX 2009.

Styrsystem kan också ha olika nivåer av autonomi.

  1. Direkt interaktion används för haptiska eller distansopererade enheter, och människan har nästan fullständig kontroll över robotens rörelse.
  2. Operatörsassistanslägen låter operatören beordra uppgifter på medelhög till hög nivå, där roboten automatiskt räknar ut hur de ska utföras.
  3. En autonom robot kan gå utan mänsklig interaktion under långa tidsperioder. Högre nivåer av autonomi kräver inte nödvändigtvis mer komplexa kognitiva förmågor. Till exempel är robotar i monteringsfabriker helt autonoma men arbetar i ett fast mönster.

En annan klassificering tar hänsyn till interaktionen mellan mänsklig kontroll och maskinens rörelser.

  1. Teleoperation . En människa styr varje rörelse, varje byte av maskinställdon specificeras av operatören.
  2. Övervakande. En människa specificerar allmänna rörelser eller positionsändringar och maskinen bestämmer specifika rörelser av dess manöverdon.
  3. Självständighet på uppgiftsnivå. Operatören specificerar bara uppgiften och roboten klarar sig själv att slutföra den.
  4. Fullständig autonomi. Maskinen kommer att skapa och slutföra alla sina uppgifter utan mänsklig interaktion.

Forskning

Ytterligare information: Öppen källkodsrobotik , Evolutionär robotik , Robotteknikområden och Robotsimulator
Två Jet Propulsion Laboratory- ingenjörer står med tre fordon, vilket ger en storleksjämförelse av tre generationer Mars-rovers. Fram och mitt är reservdelen för den första Mars-rovern, Sojourner , som landade på Mars 1997 som en del av Mars Pathfinder Project. Till vänster är en Mars Exploration Rover (MER) testfordon som är ett fungerande syskon till Spirit and Opportunity , som landade på Mars 2004. Till höger är en testrover för Mars Science Laboratory, som landade Curiosity på Mars 2012. Sojourner är 65 cm (2,13 fot) lång . Mars Exploration Rovers (MER) är 1,6 m (5,2 fot) långa. Curiosity till höger är 3 m (9,8 fot) lång.

Mycket av forskningen inom robotik fokuserar inte på specifika industriella uppgifter, utan på undersökningar av nya typer av robotar , alternativa sätt att tänka på eller designa robotar och nya sätt att tillverka dem. Andra undersökningar, som MIT:s cyberfloraprojekt , är nästan helt akademiska.

En första ny innovation inom robotdesign är öppen inköp av robotprojekt. För att beskriva graden av framsteg hos en robot kan termen "Generation Robots" användas. Denna term är myntad av professor Hans Moravec , huvudforskare vid Carnegie Mellon University Robotics Institute för att beskriva den nära framtida utvecklingen av robotteknologi. Första generationens robotar, förutspådde Moravec 1997, borde ha en intellektuell kapacitet jämförbar med kanske en ödla och bör bli tillgängliga 2010. Eftersom den första generationens robot skulle vara oförmögen att lära sig , förutspår Moravec dock att andra generationens robot skulle vara en förbättring jämfört med den första och bli tillgänglig 2020, med intelligensen kanske jämförbar med den hos en mus . Den tredje generationens robot bör ha intelligens jämförbar med den hos en apa . Även om fjärde generationens robotar, robotar med mänsklig intelligens, förutspår professor Moravec, skulle bli möjliga, förutspår han inte att detta kommer att hända före omkring 2040 eller 2050.

Den andra är evolutionära robotar . Detta är en metod som använder evolutionär beräkning för att hjälpa till att designa robotar, särskilt kroppsformen, eller rörelse- och beteendekontroller . På ett liknande sätt som naturlig evolution tillåts en stor population av robotar att tävla på något sätt, eller så mäts deras förmåga att utföra en uppgift med hjälp av en fitnessfunktion . De som presterar sämst tas bort från befolkningen och ersätts av en ny uppsättning, som har nya beteenden baserat på vinnarnas. Med tiden förbättras befolkningen, och så småningom kan en tillfredsställande robot dyka upp. Detta sker utan någon direkt programmering av robotarna av forskarna. Forskare använder denna metod både för att skapa bättre robotar och för att utforska evolutionens natur. Eftersom processen ofta kräver att många generationer av robotar simuleras, kan denna teknik köras helt eller till största delen i simulering , med hjälp av ett mjukvarupaket för robotsimulator , och sedan testas på riktiga robotar när de utvecklade algoritmerna är tillräckligt bra. För närvarande arbetar cirka 10 miljoner industrirobotar runt om i världen, och Japan är topplandet med hög täthet av att använda robotar i sin tillverkningsindustri. [ citat behövs ]

Dynamik och kinematik

Ytterligare information: Kinematik och dynamik (mekanik)
Extern video
video icon Hur BB-8 Sphero Toy fungerar

Studiet av rörelse kan delas in i kinematik och dynamik . Direkt kinematik eller framåtkinematik hänvisar till beräkningen av sluteffektorns position, orientering, hastighet och acceleration när motsvarande ledvärden är kända. Invers kinematik hänvisar till det motsatta fallet där erforderliga fogvärden beräknas för givna sluteffektorvärden, som görs i banplanering. Några speciella aspekter av kinematik inkluderar hantering av redundans (olika möjligheter att utföra samma rörelse), kollision och undvikande av singularitet . När alla relevanta positioner, hastigheter och accelerationer har beräknats med hjälp av kinematik , används metoder från dynamiken för att studera effekten av krafter på dessa rörelser. Direkt dynamik hänvisar till beräkningen av accelerationer i roboten när de applicerade krafterna är kända. Direkt dynamik används i datorsimuleringar av roboten. Invers dynamik hänvisar till beräkningen av ställdonets krafter som är nödvändiga för att skapa en föreskriven ändeffektoracceleration. Denna information kan användas för att förbättra kontrollalgoritmerna för en robot.

Inom varje område som nämns ovan strävar forskare efter att utveckla nya koncept och strategier, förbättra befintliga och förbättra interaktionen mellan dessa områden. För att göra detta måste kriterier för "optimal" prestanda och sätt att optimera design, struktur och styrning av robotar utvecklas och implementeras.

Bionik och biomimetik

Bionics och biomimetics tillämpar fysiologi och metoder för förflyttning av djur till design av robotar. Till exempel var designen av BionicKangaroo baserad på hur kängurur hoppar.

Kvantberäkning

Det har gjorts en del forskning om huruvida robotalgoritmer kan köras snabbare på kvantdatorer än de kan köras på digitala datorer . Detta område har kallats kvantrobotik.

Utbildning och träning

Huvudartikel: Pedagogisk robotik
SCORBOT -ER 4u utbildningsrobot

Robotingenjörer designar robotar, underhåller dem, utvecklar nya applikationer för dem och bedriver forskning för att utöka potentialen för robotik. Robotar har blivit ett populärt pedagogiskt verktyg i vissa mellan- och gymnasieskolor, särskilt i delar av USA , såväl som i många ungdomssommarläger, vilket ökar intresset för programmering, artificiell intelligens och robotik bland elever.

Sysselsättning

En robottekniker bygger små terrängrobotar (med tillstånd: MobileRobots, Inc.).
Huvudartikel: Teknologisk arbetslöshet

Robotik är en viktig komponent i många moderna tillverkningsmiljöer. I takt med att fabriker ökar sin användning av robotar växer antalet robotrelaterade jobb och har observerats öka stadigt. Användningen av robotar i industrier har ökat produktivitet och effektivitetsbesparingar och ses vanligtvis som en långsiktig investering för välgörare. En artikel av Michael Osborne och Carl Benedikt Frey fann att 47 procent av jobben i USA är i riskzonen för automatisering "under ett ospecificerat antal år". Dessa påståenden har kritiserats på grund av att socialpolitik, inte AI, orsakar arbetslöshet. I en artikel från 2016 i The Guardian uttalade Stephen Hawking "Automatiseringen av fabriker har redan decimerat jobb inom traditionell tillverkning, och framväxten av artificiell intelligens kommer sannolikt att förlänga denna jobbförstörelse djupt in i medelklassen, med endast de mest omtänksamma, kreativa eller kvarvarande tillsynsroller".

Enligt en rapport från GlobalData från september 2021 var robotindustrin värd 45 miljarder dollar 2020, och 2030 kommer den att ha vuxit med en sammansatt årlig tillväxttakt (CAGR) på 29 % till 568 miljarder dollar, vilket leder till jobb inom robotik och relaterade industrier.

Konsekvenser för arbetarskydd och hälsa

Huvudartikel: Säkerhet för robotar på arbetsplatsen

Ett diskussionsunderlag som utarbetats av EU-OSHA belyser hur spridningen av robotteknik erbjuder både möjligheter och utmaningar för arbetarskydd och hälsa (OSH).

De största arbetsmiljöfördelarna som härrör från den bredare användningen av robotik bör vara ersättning för människor som arbetar i ohälsosamma eller farliga miljöer. I rymd-, försvars-, säkerhets- eller kärnkraftsindustrin, men också inom logistik, underhåll och inspektion, är autonoma robotar särskilt användbara för att ersätta mänskliga arbetare som utför smutsiga, tråkiga eller osäkra uppgifter, och på så sätt undviker arbetarnas exponering för farliga ämnen och förhållanden och minska fysiska, ergonomiska och psykosociala risker. Robotar används till exempel redan för att utföra repetitiva och monotona uppgifter, för att hantera radioaktivt material eller för att arbeta i explosiva atmosfärer. I framtiden kommer många andra mycket repetitiva, riskfyllda eller obehagliga uppgifter att utföras av robotar inom en mängd olika sektorer som jordbruk, bygg, transport, sjukvård, brandbekämpning eller städtjänster.

Dessutom finns det vissa färdigheter som människor kommer att vara bättre lämpade för än maskiner under en tid framöver och frågan är hur man uppnår den bästa kombinationen av människans och robotens färdigheter. Fördelarna med robotik inkluderar tunga jobb med precision och repeterbarhet, medan fördelarna med människor inkluderar kreativitet, beslutsfattande, flexibilitet och anpassningsförmåga. Detta behov av att kombinera optimala färdigheter har resulterat i att kollaborativa robotar och människor har delat en gemensam arbetsyta närmare och lett till utvecklingen av nya tillvägagångssätt och standarder för att garantera säkerheten i "man-robot-fusionen". Vissa europeiska länder inkluderar robotik i sina nationella program och försöker främja ett säkert och flexibelt samarbete mellan robotar och operatörer för att uppnå bättre produktivitet. Till exempel anordnar det tyska federala institutet för arbetarskydd och hälsa ( BAuA ) årliga workshops på temat "samarbete mellan människa och robot".

I framtiden kommer samarbetet mellan robotar och människor att diversifieras, med robotar som ökar sin autonomi och människa-robotsamarbete får helt nya former. Nuvarande tillvägagångssätt och tekniska standarder som syftar till att skydda anställda från risken att arbeta med kollaborativa robotar kommer att behöva ses över.

Användarupplevelse

Bra användarupplevelse förutsäger behov, upplevelser, beteenden, språk och kognitiva förmågor och andra faktorer för varje användargrupp. Den använder sedan dessa insikter för att producera en produkt eller lösning som i slutändan är användbar och användbar. För robotar börjar användarupplevelsen med en förståelse för robotens avsedda uppgift och miljö, samtidigt som man överväger eventuell social påverkan som roboten kan ha på mänskliga operationer och interaktioner med den.

Den definierar den kommunikationen som överföring av information genom signaler, som är element som uppfattas genom beröring, ljud, lukt och syn. Författaren uppger att signalen förbinder sändaren med mottagaren och består av tre delar: själva signalen, vad den refererar till och tolken. Kroppsställningar och gester, ansiktsuttryck, hand- och huvudrörelser är alla en del av icke-verbalt beteende och kommunikation. Robotar är inget undantag när det kommer till interaktion mellan människa och robot. Därför använder människor sina verbala och ickeverbala beteenden för att kommunicera sina definierande egenskaper. På samma sätt behöver sociala robotar denna samordning för att utföra mänskliga beteenden.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Robotics&oldid=1142749555 "