Robotica - Robotics

Il sistema della mano del robot Shadow

La robotica è un campo interdisciplinare che integra informatica e ingegneria . La robotica coinvolge la progettazione, la costruzione, il funzionamento e l'uso di robot . L'obiettivo della robotica è progettare macchine che possano aiutare e assistere gli esseri umani. Robotica Integra campi di ingegneria meccanica , ingegneria elettrica , ingegneria informatica , meccatronica , elettronica , bioingegneria , ingegneria informatica , ingegneria di controllo , ingegneria del software , matematica, ecc

La robotica sviluppa macchine che possono sostituire gli esseri umani e replicare le azioni umane. I robot possono essere utilizzati in molte situazioni per molti scopi, ma oggi molti sono utilizzati in ambienti pericolosi (compresa l'ispezione di materiali radioattivi, rilevamento e disattivazione di bombe ), processi di produzione o dove gli esseri umani non possono sopravvivere (ad esempio nello spazio, sott'acqua, in ambienti a calore elevato e pulizia e contenimento di materiali pericolosi e radiazioni). I robot possono assumere qualsiasi forma, ma alcuni sono fatti per assomigliare agli umani in apparenza. Si sostiene che ciò aiuti nell'accettazione dei robot in determinati comportamenti replicativi che di solito vengono eseguiti dalle persone. Tali robot tentano di replicare la camminata, il sollevamento, la parola, la cognizione o qualsiasi altra attività umana. Molti dei robot di oggi sono ispirati dalla natura, contribuendo al campo della robotica ispirata alla bio .

Alcuni robot richiedono l'input dell'utente per funzionare mentre altri robot funzionano in modo autonomo. Il concetto di creare robot in grado di operare autonomamente risale all'epoca classica , ma la ricerca sulla funzionalità e sui potenziali usi dei robot non è cresciuta in modo sostanziale fino al XX secolo. Nel corso della storia, è stato spesso ipotizzato da vari studiosi, inventori, ingegneri e tecnici che un giorno i robot saranno in grado di imitare il comportamento umano e gestire le attività in modo simile a quello umano. Oggi, la robotica è un campo in rapida crescita, poiché i progressi tecnologici continuano; la ricerca, la progettazione e la costruzione di nuovi robot servono a vari scopi pratici, sia a livello nazionale , commerciale o militare . Molti robot sono costruiti per svolgere lavori pericolosi per le persone, come disinnescare bombe, trovare sopravvissuti in rovine instabili ed esplorare miniere e naufragi. La robotica è utilizzata anche nelle discipline STEM (scienza, tecnologia , ingegneria e matematica ) come supporto didattico.

Etimologia

La parola robotica deriva dalla parola robot , introdotta al pubblico dallo scrittore ceco Karel Čapek nella sua opera teatrale RUR (Rossum's Universal Robots) , pubblicata nel 1920. La parola robot deriva dalla parola slava robota , che significa lavoro /lavoro. Il gioco inizia in una fabbrica che produce persone artificiali chiamate robot , creature che possono essere scambiate per esseri umani, molto simili alle idee moderne degli androidi . Karel Čapek stesso non ha coniato la parola. Ha scritto una breve lettera in riferimento ad un etimo nella Oxford English Dictionary , in cui diede il nome di suo fratello Josef Čapek come il suo effettivo autore.

Secondo l' Oxford English Dictionary , la parola della robotica è stato utilizzato prima in stampa da Isaac Asimov , nella sua fantascienza racconto "Bugiardo!" , pubblicato nel maggio 1941 in Astounding Science Fiction . Asimov non sapeva che stava coniando il termine; poiché la scienza e la tecnologia dei dispositivi elettrici è l' elettronica , ha assunto la robotica già riferita alla scienza e alla tecnologia dei robot. In alcune delle altre opere di Asimov, afferma che il primo uso della parola robotica è stato nel suo racconto Runaround ( Astounding Science Fiction , marzo 1942), dove ha introdotto il suo concetto di The Three Laws of Robotics . Tuttavia, la pubblicazione originale di "Bugiardo!" precede quello di "Runaround" di dieci mesi, quindi il primo è generalmente citato come origine della parola.

Storia

Nel 1948, Norbert Wiener ha formulato i principi della cibernetica , la base della robotica pratica.

I robot completamente autonomi sono comparsi solo nella seconda metà del XX secolo. Il primo robot a funzionamento digitale e programmabile, l' Unimate , è stato installato nel 1961 per sollevare pezzi di metallo caldi da una macchina di pressofusione e impilarli. I robot commerciali e industriali sono oggi molto diffusi e utilizzati per eseguire lavori in modo più economico, accurato e affidabile rispetto agli umani. Sono anche impiegati in alcuni lavori che sono troppo sporchi, pericolosi o noiosi per essere adatti all'uomo. I robot sono ampiamente utilizzati nella produzione , assemblaggio, imballaggio e confezionamento, estrazione mineraria, trasporti, esplorazione della terra e dello spazio , chirurgia, armi, ricerca di laboratorio , sicurezza e produzione di massa di beni di consumo e industriali .

Data Significato Nome del robot Inventore
III secolo a.C. e precedenti Una delle prime descrizioni di automi appare nel testo di Lie Zi , in un incontro molto precedente tra il re Mu di Zhou (1023–957 aC) e un ingegnere meccanico noto come Yan Shi, un "artefice". Quest'ultimo avrebbe presentato al re una figura a grandezza naturale a forma umana della sua opera meccanica. Yan Shi (cinese:偃师)
I secolo d.C. e precedenti Descrizioni di più di 100 macchine e automi, tra cui un'autopompa dei pompieri, un organo a vento, una macchina a gettoni e un motore a vapore, in Pneumatica and Automata di Airone di Alessandria Ctesibio , Filone di Bisanzio , Airone di Alessandria e altri
C. 420 aC Un uccello di legno, a vapore, che era in grado di volare piccione volante Archita di Taranto
1206 Creati i primi automi umanoidi, banda di automi programmabili Banda robotica, automa per il lavaggio delle mani, pavoni mobili automatizzati Al-Jazari
1495 Disegni per un robot umanoide Cavaliere Meccanico Leonardo Da Vinci
1560 (non specificato) Monaco meccanico che aveva piedi meccanici costruiti sotto le sue vesti che imitavano il camminare. Gli occhi, le labbra e la testa del robot si muovono con gesti realistici. Monaco meccanico Leonardo Da Vinci
1738 Anatra meccanica che era in grado di mangiare, sbattere le ali ed espellere Anatra che digerisce Jacques de Vaucanson
1898 Nikola Tesla mostra la prima nave radiocomandata. Teleautoma Nikola Tesla
1921 I primi automi immaginari chiamati "robot" compaiono nella commedia RUR I robot universali di Rossum Karel Čapek
anni '30 Robot umanoide esposto alle fiere mondiali del 1939 e 1940 elettrico Westinghouse Electric Corporation
1946 Primo computer digitale universale vortice Più persone
1948 Robot semplici che esibiscono comportamenti biologici Elsie ed Elmer William Gray Walter
1956 Primo robot commerciale, dalla società Unimation fondata da George Devol e Joseph Engelberger , basato sui brevetti di Devol Unimate George Devol
1961 Primo robot industriale installato. Unimate George Devol
1967-1972 Primo robot umanoide intelligente a grandezza naturale e primo Android . Il suo sistema di controllo degli arti gli permetteva di camminare con gli arti inferiori e di afferrare e trasportare oggetti con le mani, utilizzando sensori tattili. Il suo sistema di visione gli ha permesso di misurare le distanze e le direzioni degli oggetti utilizzando recettori esterni, occhi e orecchie artificiali. E il suo sistema di conversazione gli permetteva di comunicare con una persona in giapponese, con una bocca artificiale. WABOT-1 Università Waseda
1973 Primo robot industriale con sei assi azionati elettromeccanicamente Famulus KUKA Robot Group
1974 Il primo robot industriale elettrico al mondo controllato da un microcomputer , IRB 6 di ASEA, è stato consegnato a una piccola azienda di ingegneria meccanica nel sud della Svezia. Il design di questo robot era stato brevettato già nel 1972. IRB 6 ABB Robot Group
1975 Braccio di manipolazione universale programmabile, un prodotto Unimation PUMA Victor Scheinman
1978 Primo linguaggio di programmazione per robot a livello di oggetto, che consente ai robot di gestire variazioni nella posizione, nella forma e nel rumore dei sensori dell'oggetto. Freddy I e II, linguaggio di programmazione robot RAPT Patricia Ambler e Robin Popplestone
1983 Primo linguaggio di programmazione multitasking e parallelo utilizzato per il controllo di un robot. Era l'Event Driven Language (EDL) sul computer di processo IBM/Serie/1, con l'implementazione di meccanismi di comunicazione tra processi (WAIT/POST) e mutua esclusione (ENQ/DEQ) per il controllo del robot. ADRIEL I Stevo Bozinovski e Mihail Sestakov

Aspetti robotici

Costruzione meccanica
Aspetto elettrico
Un livello di programmazione

Esistono molti tipi di robot; sono utilizzati in molti ambienti diversi e per molti usi diversi. Sebbene siano molto diversi nell'applicazione e nella forma, condividono tutti tre somiglianze di base quando si tratta della loro costruzione:

  1. I robot hanno tutti un qualche tipo di costruzione meccanica, un telaio, una forma o una forma progettata per svolgere un compito particolare. Ad esempio, un robot progettato per viaggiare attraverso lo sporco o il fango pesanti, potrebbe utilizzare i cingoli . L'aspetto meccanico è principalmente la soluzione del creatore per completare il compito assegnato e occuparsi della fisica dell'ambiente circostante. La forma segue la funzione.
  2. I robot hanno componenti elettrici che alimentano e controllano i macchinari. Ad esempio, il robot con cingoli avrebbe bisogno di un qualche tipo di potenza per muovere i cingoli . Quel potere si presenta sotto forma di elettricità, che dovrà viaggiare attraverso un filo e provenire da una batteria, un circuito elettrico di base . Anche le macchine alimentate a benzina che ottengono la loro energia principalmente dalla benzina richiedono ancora una corrente elettrica per avviare il processo di combustione, motivo per cui la maggior parte delle macchine alimentate a benzina come le automobili, hanno batterie. L'aspetto elettrico dei robot viene utilizzato per il movimento (attraverso i motori), il rilevamento (dove i segnali elettrici vengono utilizzati per misurare cose come il calore, il suono, la posizione e lo stato energetico) e il funzionamento (i robot hanno bisogno di un certo livello di energia elettrica fornita ai loro motori e sensori per attivare ed eseguire operazioni di base)
  3. Tutti i robot contengono un certo livello di codice di programmazione del computer . Un programma è il modo in cui un robot decide quando o come fare qualcosa. Nell'esempio del cingolo, un robot che ha bisogno di muoversi su una strada fangosa può avere la costruzione meccanica corretta e ricevere la giusta quantità di energia dalla sua batteria, ma non andrebbe da nessuna parte senza un programma che gli dice di muoversi. I programmi sono l'essenza fondamentale di un robot, potrebbe avere un'eccellente costruzione meccanica ed elettrica, ma se il suo programma è costruito male, le sue prestazioni saranno molto scarse (o potrebbe non funzionare affatto). Esistono tre diversi tipi di programmi robotici: telecomando, intelligenza artificiale e ibrido. Un robot con programmazione del controllo remoto ha una serie preesistente di comandi che eseguirà solo se e quando riceve un segnale da una fonte di controllo, in genere un essere umano con un telecomando. Forse è più appropriato considerare i dispositivi controllati principalmente da comandi umani come rientranti nella disciplina dell'automazione piuttosto che nella robotica. I robot che utilizzano l'intelligenza artificiale interagiscono da soli con il loro ambiente senza una fonte di controllo e possono determinare le reazioni agli oggetti e ai problemi che incontrano utilizzando la loro programmazione preesistente. Hybrid è una forma di programmazione che incorpora sia le funzioni AI che RC.

Applicazioni

Poiché sempre più robot sono progettati per compiti specifici, questo metodo di classificazione diventa più rilevante. Ad esempio, molti robot sono progettati per lavori di assemblaggio, che potrebbero non essere facilmente adattabili per altre applicazioni. Sono definiti "robot di assemblaggio". Per la saldatura continua, alcuni fornitori forniscono sistemi di saldatura completi con il robot, ovvero l'attrezzatura di saldatura insieme ad altre strutture per la movimentazione dei materiali come piattaforme girevoli, ecc. come unità integrata. Un tale sistema robotico integrato è chiamato "robot di saldatura" anche se la sua unità di manipolazione discreta potrebbe essere adattata a una varietà di compiti. Alcuni robot sono progettati specificamente per la manipolazione di carichi pesanti e sono etichettati come "robot pesanti".

Le applicazioni attuali e potenziali includono:

Componenti

Fonte di potere

Il lander InSight con pannelli solari installati in una camera bianca

Attualmente, come fonte di alimentazione vengono utilizzate principalmente batterie (piombo-acido) . Molti tipi diversi di batterie possono essere utilizzati come fonte di alimentazione per i robot. Si va dalle batterie piombo-acido, che sono sicure e hanno una durata di conservazione relativamente lunga, ma sono piuttosto pesanti rispetto alle batterie argento-cadmio che hanno un volume molto più piccolo e sono attualmente molto più costose. La progettazione di un robot alimentato a batteria deve tenere conto di fattori quali la sicurezza, la durata del ciclo e il peso . Possono essere utilizzati anche generatori, spesso qualche tipo di motore a combustione interna . Tuttavia, tali progetti sono spesso meccanicamente complessi e richiedono un combustibile, richiedono la dissipazione del calore e sono relativamente pesanti. Un cavo che collega il robot a un alimentatore rimuoverebbe completamente l'alimentatore dal robot. Questo ha il vantaggio di risparmiare peso e spazio spostando tutti i componenti di generazione di energia e archiviazione altrove. Tuttavia, questo design presenta l'inconveniente di avere costantemente un cavo collegato al robot, che può essere difficile da gestire. Le potenziali fonti di alimentazione potrebbero essere:

attuazione

Una gamba robotica alimentata da muscoli d'aria

Gli attuatori sono i " muscoli " di un robot, le parti che convertono l' energia immagazzinata in movimento. Gli attuatori di gran lunga più popolari sono i motori elettrici che fanno girare una ruota o un ingranaggio e gli attuatori lineari che controllano i robot industriali nelle fabbriche. Ci sono alcuni recenti progressi in tipi alternativi di attuatori, alimentati da elettricità, prodotti chimici o aria compressa.

Motori elettrici

La stragrande maggioranza dei robot utilizzano motori elettrici , spesso spazzolato e motori brushless DC a robot portatili o motori a corrente alternata a robot industriali e CNC macchine. Questi motori sono spesso preferiti in sistemi con carichi più leggeri e dove la forma di movimento predominante è rotazionale.

Attuatori lineari

Vari tipi di attuatori lineari si muovono dentro e fuori invece che ruotando e spesso hanno cambi di direzione più rapidi, in particolare quando sono necessarie forze molto grandi come con la robotica industriale. Sono tipicamente alimentati da aria compressa e ossidata ( attuatore pneumatico ) o un olio ( attuatore idraulico ). Gli attuatori lineari possono anche essere alimentati da elettricità che di solito consiste in un motore e una vite. Un altro tipo comune è un attuatore lineare meccanico che viene ruotato a mano, come una cremagliera e un pignone su un'auto.

Attuatori elastici di serie

L'attuazione elastica in serie (SEA) si basa sull'idea di introdurre un'elasticità intenzionale tra l'attuatore del motore e il carico per un robusto controllo della forza. A causa della minore inerzia riflessa che ne risulta, l'azionamento elastico in serie migliora la sicurezza quando un robot interagisce con l'ambiente (ad es. persone o pezzo in lavorazione) o durante le collisioni. Inoltre, fornisce anche efficienza energetica e assorbimento degli urti (filtraggio meccanico) riducendo l'eccessiva usura della trasmissione e di altri componenti meccanici. Questo approccio è stato impiegato con successo in vari robot, in particolare robot di produzione avanzati e robot umanoidi che camminano .

La progettazione del controller di un attuatore elastico in serie viene spesso eseguita nell'ambito della struttura della passività in quanto garantisce la sicurezza dell'interazione con ambienti non strutturati. Nonostante la sua notevole robustezza alla stabilità, questo framework soffre delle stringenti limitazioni imposte al controller che possono compromettere le prestazioni. Si rimanda il lettore alla seguente indagine che riassume le architetture comuni di controllore per SEA insieme alle corrispondenti condizioni di sufficiente passività. Uno studio recente ha derivato le condizioni di passività necessarie e sufficienti per una delle architetture di controllo dell'impedenza più comuni , vale a dire SEA di origine della velocità. Questo lavoro è di particolare importanza in quanto guida per la prima volta i limiti di passività non conservativi in ​​uno schema SEA che consente una selezione più ampia di guadagni di controllo.

muscoli dell'aria

I muscoli artificiali pneumatici, noti anche come muscoli dell'aria, sono tubi speciali che si espandono (tipicamente fino al 40%) quando l'aria viene forzata al loro interno. Sono utilizzati in alcune applicazioni robot.

Filo muscolare

Il filo muscolare, noto anche come lega a memoria di forma, filo Nitinol® o Flexinol®, è un materiale che si contrae (meno del 5%) quando viene applicata l'elettricità. Sono stati utilizzati per alcune applicazioni di piccoli robot.

Polimeri elettroattivi

Gli EAP o EPAM sono un materiale plastico che può contrarsi in modo sostanziale (fino al 380% di sforzo di attivazione) dall'elettricità e sono stati utilizzati nei muscoli facciali e nelle braccia dei robot umanoidi e per consentire ai nuovi robot di galleggiare, volare, nuotare o camminare.

Motori piezoelettrici

Alternative recenti ai motori DC sono i motori piezoelettrici oi motori a ultrasuoni . Questi funzionano su un principio fondamentalmente diverso, per cui piccoli elementi piezoceramici , vibrando molte migliaia di volte al secondo, causano un movimento lineare o rotatorio. Esistono diversi meccanismi di funzionamento; un tipo utilizza la vibrazione degli elementi piezoelettrici per far muovere il motore in un cerchio o in una linea retta. Un altro tipo utilizza gli elementi piezoelettrici per far vibrare un dado o per azionare una vite. I vantaggi di questi motori sono la risoluzione nanometrica , la velocità e la forza disponibile per le loro dimensioni. Questi motori sono già disponibili in commercio e vengono utilizzati su alcuni robot.

Nanotubi elastici

I nanotubi elastici sono una promettente tecnologia muscolare artificiale in fase iniziale di sviluppo sperimentale. L'assenza di difetti nei nanotubi di carbonio consente a questi filamenti di deformarsi elasticamente di diverse percentuali, con livelli di accumulo di energia forse di 10  J /cm 3 per i nanotubi metallici. I bicipiti umani potrebbero essere sostituiti con un filo di 8 mm di diametro di questo materiale. Tale "muscolo" compatto potrebbe consentire ai futuri robot di correre più velocemente e superare gli umani.

rilevamento

I sensori consentono ai robot di ricevere informazioni su una determinata misurazione dell'ambiente o sui componenti interni. Ciò è essenziale affinché i robot svolgano i loro compiti e agiscano su eventuali cambiamenti nell'ambiente per calcolare la risposta appropriata. Sono utilizzati per varie forme di misurazione, per fornire ai robot avvisi sulla sicurezza o malfunzionamenti e per fornire informazioni in tempo reale sull'attività che sta eseguendo.

Tocco

Le attuali mani robotiche e protesiche ricevono molte meno informazioni tattili rispetto alla mano umana. Ricerche recenti hanno sviluppato una serie di sensori tattili che imita le proprietà meccaniche e i recettori tattili delle dita umane. L'array di sensori è costruito come un nucleo rigido circondato da fluido conduttivo contenuto da una pelle elastomerica. Gli elettrodi sono montati sulla superficie del nucleo rigido e sono collegati a un dispositivo di misurazione dell'impedenza all'interno del nucleo. Quando la pelle artificiale tocca un oggetto, il percorso del fluido attorno agli elettrodi si deforma, producendo cambiamenti di impedenza che mappano le forze ricevute dall'oggetto. I ricercatori si aspettano che una funzione importante di questi polpastrelli artificiali sarà la regolazione della presa robotica sugli oggetti tenuti.

Scienziati di diversi paesi europei e di Israele hanno sviluppato una mano protesica nel 2009, chiamata SmartHand, che funziona come una mano reale, consentendo ai pazienti di scrivere, digitare su una tastiera , suonare il piano ed eseguire altri movimenti precisi. La protesi è dotata di sensori che consentono al paziente di percepire sensazioni reali nella punta delle dita.

Visione

La computer vision è la scienza e la tecnologia delle macchine che vedono. In quanto disciplina scientifica, la visione artificiale si occupa della teoria alla base dei sistemi artificiali che estraggono informazioni dalle immagini. I dati dell'immagine possono assumere molte forme, come sequenze video e viste dalle telecamere.

Nella maggior parte delle applicazioni pratiche di visione artificiale, i computer sono pre-programmati per risolvere un particolare compito, ma i metodi basati sull'apprendimento stanno diventando sempre più comuni.

I sistemi di visione artificiale si basano su sensori di immagine che rilevano la radiazione elettromagnetica che è tipicamente sotto forma di luce visibile o luce infrarossa . I sensori sono progettati utilizzando la fisica dello stato solido . Il processo attraverso il quale la luce si propaga e si riflette sulle superfici è spiegato usando l' ottica . I sofisticati sensori di immagine richiedono persino la meccanica quantistica per fornire una comprensione completa del processo di formazione dell'immagine. I robot possono anche essere dotati di più sensori di visione per essere in grado di calcolare meglio il senso di profondità nell'ambiente. Come gli occhi umani, anche gli "occhi" dei robot devono essere in grado di mettere a fuoco una particolare area di interesse e adattarsi anche alle variazioni dell'intensità della luce.

C'è un sottocampo all'interno della visione artificiale in cui i sistemi artificiali sono progettati per imitare l'elaborazione e il comportamento del sistema biologico , a diversi livelli di complessità. Inoltre, alcuni dei metodi basati sull'apprendimento sviluppati nell'ambito della visione artificiale hanno il loro background in biologia.

Altro

Altre forme comuni di rilevamento nella robotica utilizzano lidar, radar e sonar. Lidar misura la distanza da un bersaglio illuminando il bersaglio con luce laser e misurando la luce riflessa con un sensore. Il radar utilizza le onde radio per determinare la portata, l'angolo o la velocità degli oggetti. Il sonar utilizza la propagazione del suono per navigare, comunicare o rilevare oggetti sopra o sotto la superficie dell'acqua.

Manipolazione

Puma, uno dei primi robot industriali
Baxter, un robot industriale moderno e versatile sviluppato da Rodney Brooks

Una definizione di manipolazione robotica è stata fornita da Matt Mason come: "la manipolazione si riferisce al controllo di un agente del suo ambiente attraverso il contatto selettivo".

I robot hanno bisogno di manipolare oggetti; raccogliere, modificare, distruggere o avere un effetto in altro modo. Pertanto, l'estremità funzionale di un braccio robotico destinato a produrre l'effetto (che si tratti di una mano o di uno strumento) è spesso indicata come effettore finale , mentre il "braccio" è indicato come manipolatore . La maggior parte dei bracci robotici ha degli end-effector sostituibili, ognuno dei quali consente loro di eseguire una piccola gamma di compiti. Alcuni hanno un manipolatore fisso che non può essere sostituito, mentre alcuni hanno un manipolatore molto generico, ad esempio una mano umanoide.

Pinze meccaniche

Uno dei tipi più comuni di terminali sono le "pinze". Nella sua manifestazione più semplice, consiste solo di due dita che possono aprirsi e chiudersi per raccogliere e lasciare andare una serie di piccoli oggetti. Le dita possono, ad esempio, essere costituite da una catena attraversata da un filo metallico. Le mani che assomigliano e funzionano più come una mano umana includono la Mano Ombra e la Mano Robonaut . Le mani di una complessità di livello medio includono la mano di Delft . Le pinze meccaniche possono essere di vari tipi, comprese le ganasce a frizione e avvolgenti. Le ganasce di attrito usano tutta la forza della pinza per tenere l'oggetto in posizione usando l'attrito. Le mascelle avvolgenti cullano l'oggetto in posizione, utilizzando meno attrito.

Terminali di aspirazione

I terminali di aspirazione, alimentati da generatori di vuoto, sono dispositivi astrittivi molto semplici in grado di sostenere carichi molto grandi a condizione che la superficie di prensione sia sufficientemente liscia da garantire l'aspirazione.

I robot pick and place per componenti elettronici e per oggetti di grandi dimensioni come i parabrezza delle auto, utilizzano spesso degli end-effectors molto semplici.

L'aspirazione è un tipo di end-effector molto utilizzato nell'industria, in parte perché la naturale cedevolezza degli end-effector ad aspirazione morbida può consentire a un robot di essere più robusto in presenza di una percezione robotica imperfetta. Ad esempio: consideriamo il caso di un sistema di visione robot che stima la posizione di una bottiglia d'acqua, ma ha 1 centimetro di errore. Sebbene ciò possa causare la perforazione della bottiglia d'acqua da parte di una pinza meccanica rigida, l'estremità dell'aspirazione morbida potrebbe piegarsi leggermente e conformarsi alla forma della superficie della bottiglia d'acqua.

Effettori di uso generale

Alcuni robot avanzati stanno iniziando a utilizzare mani completamente umanoidi, come Shadow Hand, MANUS e Schunk . Questi sono manipolatori altamente abili, con fino a 20 gradi di libertà e centinaia di sensori tattili.

Locomozione

Robot rotanti

Segway nel museo dei robot a Nagoya

Per semplicità, la maggior parte dei robot mobili ha quattro ruote o un numero di binari continui . Alcuni ricercatori hanno provato a creare robot a ruote più complessi con solo una o due ruote. Questi possono avere alcuni vantaggi come una maggiore efficienza e parti ridotte, oltre a consentire a un robot di navigare in luoghi ristretti che un robot a quattro ruote non sarebbe in grado di fare.

Robot di equilibratura a due ruote

I robot di bilanciamento generalmente utilizzano un giroscopio per rilevare quanto sta cadendo un robot e quindi azionano le ruote proporzionalmente nella stessa direzione, per controbilanciare la caduta a centinaia di volte al secondo, in base alla dinamica di un pendolo invertito . Sono stati progettati molti diversi robot di bilanciamento. Sebbene il Segway non sia comunemente pensato come un robot, può essere pensato come un componente di un robot, quando usato come tale Segway si riferisce a loro come RMP (Robotic Mobility Platform). Un esempio di questo uso è stato come NASA s' Robonaut che è stato montato su un Segway.

Robot di equilibratura a una ruota

Un robot di bilanciamento a una ruota è un'estensione di un robot di bilanciamento a due ruote in modo che possa muoversi in qualsiasi direzione 2D utilizzando una sfera rotonda come unica ruota. Diversi robot di bilanciamento a una ruota sono stati progettati di recente, come " Ballbot " della Carnegie Mellon University , che corrisponde all'altezza e alla larghezza approssimative di una persona, e "BallIP" della Tohoku Gakuin University . A causa della forma lunga e sottile e della capacità di manovrare in spazi ristretti, hanno il potenziale per funzionare meglio di altri robot in ambienti con persone.

Robot orbitali sferici

Sono stati fatti diversi tentativi in ​​robot che sono completamente all'interno di una sfera sferica, sia facendo ruotare un peso all'interno della palla, sia ruotando i gusci esterni della sfera. Questi sono stati anche chiamati robot orb o ball bot.

Robot a sei ruote

L'uso di sei ruote invece di quattro ruote può dare una migliore trazione o aderenza su terreni esterni come su terra rocciosa o erba.

Robot cingolati
Robot militari TALON utilizzati dall'esercito degli Stati Uniti

I cingoli del serbatoio forniscono ancora più trazione di un robot a sei ruote. Le ruote cingolate si comportano come se fossero composte da centinaia di ruote, quindi sono molto comuni per i robot da esterno e militari, dove il robot deve guidare su terreni molto accidentati. Tuttavia, sono difficili da usare in interni come su tappeti e pavimenti lisci. Gli esempi includono il robot urbano "Urbie" della NASA.

Camminare applicato ai robot

Camminare è un problema difficile e dinamico da risolvere. Sono stati realizzati diversi robot che possono camminare in modo affidabile su due gambe, tuttavia, nessuno è stato ancora realizzato robusto come un essere umano. Ci sono stati molti studi sulla camminata ispirata dall'uomo, come il laboratorio AMBER che è stato fondato nel 2008 dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Texas A&M University. Sono stati costruiti molti altri robot che camminano su più di due gambe, poiché questi robot sono significativamente più facili da costruire. I robot ambulanti possono essere utilizzati per terreni irregolari, il che fornirebbe una migliore mobilità ed efficienza energetica rispetto ad altri metodi di locomozione. In genere, i robot su due gambe possono camminare bene su pavimenti piani e occasionalmente possono salire le scale . Nessuno può camminare su terreni rocciosi e irregolari. Alcuni dei metodi che sono stati provati sono:

Tecnica ZMP

Lo zero momento punto (ZMP) è l'algoritmo utilizzato da robot come Honda s' ASIMO . Tentativi di bordo calcolatore del robot per mantenere totale forze inerziali (la combinazione di Terra s' gravità e l' accelerazione e la decelerazione dei piedi), esattamente opposti dal pavimento forza di reazione (la forza del pavimento spingendo indietro a piedi del robot). In questo modo le due forze si annullano senza lasciare alcun momento (forza che fa ruotare e cadere il robot). Tuttavia, non è esattamente così che cammina un essere umano, e la differenza è evidente per gli osservatori umani, alcuni dei quali hanno sottolineato che ASIMO cammina come se avesse bisogno del bagno . L'algoritmo di camminata di ASIMO non è statico e viene utilizzato un bilanciamento dinamico (vedi sotto). Tuttavia, richiede ancora una superficie liscia su cui camminare.

saltellando

Diversi robot, costruiti negli anni '80 da Marc Raibert al MIT Leg Laboratory, hanno dimostrato con successo una camminata molto dinamica. Inizialmente, un robot con una gamba sola e un piede molto piccolo poteva stare in piedi semplicemente saltando . Il movimento è lo stesso di una persona su un pogo stick . Quando il robot cade da un lato, salterebbe leggermente in quella direzione, per riprendersi. Presto, l'algoritmo fu generalizzato a due e quattro gambe. È stato dimostrato che un robot bipede correva e faceva anche capriole . È stato anche dimostrato un quadrupede che poteva trottare , correre, andare avanti e indietro. Per un elenco completo di questi robot, vedere la pagina Leg Lab Robots del MIT.

Bilanciamento dinamico (caduta controllata)

Un modo più avanzato per camminare di un robot consiste nell'utilizzare un algoritmo di bilanciamento dinamico, che è potenzialmente più robusto della tecnica Zero Moment Point, poiché monitora costantemente il movimento del robot e posiziona i piedi per mantenere la stabilità. Questa tecnica è stata recentemente dimostrata dal robot Dexter di Anybots , che è così stabile che può persino saltare. Un altro esempio è il TU Delft Flame .

Dinamiche passive

Forse l'approccio più promettente utilizza la dinamica passiva in cui lo slancio degli arti oscillanti viene utilizzato per una maggiore efficienza . È stato dimostrato che i meccanismi umanoidi totalmente privi di potenza possono camminare lungo un dolce pendio, usando solo la gravità per spingersi. Usando questa tecnica, un robot deve fornire solo una piccola quantità di potenza del motore per camminare su una superficie piana o un po' di più per camminare su una collina . Questa tecnica promette di rendere i robot ambulanti almeno dieci volte più efficienti dei deambulatori ZMP, come ASIMO.

Altri metodi di locomozione

Volare

Un moderno aereo di linea è essenzialmente un robot volante , con due umani che lo gestiscono. L' autopilota può controllare l'aereo per ogni fase del viaggio, incluso il decollo, il volo normale e persino l'atterraggio. Altri robot volanti sono disabitati e sono conosciuti come veicoli aerei senza equipaggio (UAV). Possono essere più piccoli e leggeri senza un pilota umano a bordo e volare in territori pericolosi per missioni di sorveglianza militare. Alcuni possono persino sparare su bersagli sotto comando. Sono in fase di sviluppo anche UAV che possono sparare sui bersagli automaticamente, senza la necessità di un comando da parte di un essere umano. Altri robot volanti includono missili da crociera , Entomopter e il micro elicottero robot Epson . Robot come Air Penguin, Air Ray e Air Jelly hanno corpi più leggeri dell'aria, azionati da pale e guidati dal sonar.

serpeggiando
Due serpenti robot. Quello di sinistra ha 64 motori (con 2 gradi di libertà per segmento), quello di destra 10.

Diversi robot serpente sono stati sviluppati con successo. Imitando il modo in cui si muovono i veri serpenti, questi robot possono navigare in spazi molto ristretti, il che significa che un giorno potrebbero essere utilizzati per cercare persone intrappolate in edifici crollati. Il robot serpente giapponese ACM-R5 può persino navigare sia a terra che in acqua.

Pattinando

È stato sviluppato un piccolo numero di robot di pattinaggio , uno dei quali è un dispositivo di camminata e pattinaggio multimodale. Ha quattro gambe, con ruote non motorizzate, che possono camminare o rotolare. Un altro robot, Plen, può usare uno skateboard in miniatura o pattini a rotelle e pattinare su un desktop.

Cappuccino, un robot rampicante
Arrampicata

Sono stati utilizzati diversi approcci per sviluppare robot in grado di arrampicarsi su superfici verticali. Un approccio imita i movimenti di uno scalatore umano su una parete con sporgenze; regolando il centro di massa e spostando a turno ciascun arto per ottenere una leva. Un esempio di questo è Capuchin, costruito dal Dr. Ruixiang Zhang alla Stanford University, in California. Un altro approccio utilizza il metodo del puntale specializzato dei gechi che si arrampicano sulle pareti , che possono correre su superfici lisce come il vetro verticale. Esempi di questo approccio includono Wallbot e Stickybot.

Il 15 novembre 2008, il China's Technology Daily ha riferito che il Dr. Li Hiu Yeung e il suo gruppo di ricerca della New Concept Aircraft ( Zhuhai ) Co., Ltd. hanno sviluppato con successo un robot geco bionico chiamato " Speedy Freelander ". Secondo il Dr. Yeung, il robot geco potrebbe arrampicarsi rapidamente su e giù per una varietà di muri di edifici, navigare attraverso fessure del terreno e dei muri e camminare a testa in giù sul soffitto. Era anche in grado di adattarsi alle superfici di vetro liscio, pareti ruvide, appiccicose o polverose, nonché a vari tipi di materiali metallici. Potrebbe anche identificare e aggirare automaticamente gli ostacoli. La sua flessibilità e velocità erano paragonabili a un geco naturale. Un terzo approccio consiste nell'imitare il movimento di un serpente che si arrampica su un palo.

Nuoto (Piscina)

Si calcola che quando nuotano alcuni pesci possono raggiungere un'efficienza propulsiva superiore al 90%. Inoltre, possono accelerare e manovrare molto meglio di qualsiasi barca o sottomarino artificiale e producono meno rumore e disturbo dell'acqua. Pertanto, molti ricercatori che studiano i robot subacquei vorrebbero copiare questo tipo di locomozione. Esempi notevoli sono l' Essex University Computer Science Robotic Fish G9 e il Robot Tuna costruito dall'Institute of Field Robotics, per analizzare e modellare matematicamente il movimento thunniforme . L'Aqua Penguin, progettato e costruito dalla tedesca Festo, copia la forma aerodinamica e la propulsione delle "pinne" anteriori dei pinguini . Festo ha anche costruito Aqua Ray e Aqua Jelly, che emulano rispettivamente la locomozione della manta e della medusa.

Pesce Robotico: iSplash -II

Nel 2014 iSplash -II è stato sviluppato dallo studente di dottorato Richard James Clapham e dal Prof. Huosheng Hu presso la Essex University. È stato il primo pesce robotico in grado di superare i veri pesci carangiformi in termini di velocità massima media (misurata in lunghezze del corpo/secondo) e resistenza, la durata in cui viene mantenuta la velocità massima. Questa struttura ha raggiunto velocità di nuoto di 11,6 BL/s (ovvero 3,7 m/s). La prima build, iSplash -I (2014) è stata la prima piattaforma robotica ad applicare un movimento di nuoto carangiforme per tutta la lunghezza del corpo che è risultato aumentare la velocità di nuoto del 27% rispetto all'approccio tradizionale di una forma d'onda confinata posteriore.

Navigazione
Il robot autonomo per barche a vela Vaimos

Sono stati inoltre sviluppati robot per barche a vela per effettuare misurazioni sulla superficie dell'oceano. Un tipico robot per barche a vela è Vaimos costruito da IFREMER e ENSTA-Bretagne. Poiché la propulsione dei robot per barche a vela utilizza il vento, l'energia delle batterie viene utilizzata solo per il computer, per la comunicazione e per gli attuatori (per la messa a punto del timone e della vela). Se il robot è dotato di pannelli solari, il robot potrebbe teoricamente navigare all'infinito. Le due principali competizioni di robot per barche a vela sono WRSC , che si svolge ogni anno in Europa, e Sailbot .

Interazione ambientale e navigazione

Radar, GPS e lidar , sono tutti combinati per fornire una corretta navigazione ed evitare gli ostacoli (veicolo sviluppato per il 2007 DARPA Urban Challenge )

Sebbene una percentuale significativa di robot oggi in servizio sia controllata dall'uomo o operi in un ambiente statico, c'è un crescente interesse per i robot che possono operare autonomamente in un ambiente dinamico. Questi robot richiedono una combinazione di hardware e software di navigazione per attraversare il loro ambiente. In particolare, eventi imprevisti (es. persone e altri ostacoli non fermi) possono causare problemi o collisioni. Alcuni robot altamente avanzati come ASIMO e Meinü robot hanno hardware e software di navigazione robot particolarmente buoni. Inoltre, le automobili auto-controllato , Ernst Dickmanns ' auto senza conducente , e le voci del Darpa Grand Challenge , sono in grado di percepire l'ambiente ben e successivamente prendere decisioni di navigazione sulla base di queste informazioni, tra cui da uno sciame di robot autonomi. La maggior parte di questi robot utilizza un dispositivo di navigazione GPS con waypoint, insieme al radar , a volte combinato con altri dati sensoriali come lidar , videocamere e sistemi di guida inerziale per una migliore navigazione tra i waypoint.

Interazione uomo-robot

Kismet può produrre una gamma di espressioni facciali.

Lo stato dell'arte dell'intelligenza sensoriale per i robot dovrà progredire attraverso diversi ordini di grandezza se vogliamo che i robot che lavorano nelle nostre case vadano oltre l'aspirapolvere per i pavimenti. Se i robot devono funzionare in modo efficace nelle case e in altri ambienti non industriali, il modo in cui vengono istruiti per svolgere il proprio lavoro, e in particolare il modo in cui verrà detto loro di fermarsi, sarà di fondamentale importanza. Le persone che interagiscono con loro possono avere poca o nessuna formazione in robotica, quindi qualsiasi interfaccia dovrà essere estremamente intuitiva. Gli autori di fantascienza in genere presumono anche che i robot alla fine saranno in grado di comunicare con gli umani attraverso il linguaggio , i gesti e le espressioni facciali , piuttosto che un'interfaccia a riga di comando . Sebbene il linguaggio sia il modo più naturale per comunicare per l'essere umano, è innaturale per il robot. Probabilmente passerà molto tempo prima che i robot interagiscano in modo naturale come l'immaginario C-3PO , o Data of Star Trek, Next Generation . Anche se lo stato attuale della robotica non può soddisfare gli standard di questi robot della fantascienza, i personaggi dei media robotici (ad es. Wall-E, R2-D2) possono suscitare simpatie del pubblico che aumentano la disponibilità delle persone ad accettare robot reali in futuro. È probabile che anche l'accettazione dei robot sociali aumenti se le persone possono incontrare un robot sociale in condizioni appropriate. Gli studi hanno dimostrato che interagire con un robot guardando, toccando o anche immaginando di interagire con il robot può ridurre i sentimenti negativi che alcune persone hanno nei confronti dei robot prima di interagire con loro. Tuttavia, se i sentimenti negativi preesistenti sono particolarmente forti, l'interazione con un robot può aumentare quei sentimenti negativi nei confronti dei robot.

Riconoscimento vocale

Interpretare il flusso continuo di suoni provenienti da un essere umano, in tempo reale , è un compito difficile per un computer, soprattutto a causa della grande variabilità del parlato . La stessa parola, pronunciata dalla stessa persona, può suonare in modo diverso a seconda dell'acustica locale , del volume , della parola precedente, del raffreddore o meno di chi parla , ecc. Diventa ancora più difficile quando chi parla ha un accento diverso . Tuttavia, sono stati fatti grandi passi avanti nel campo da quando Davis, Biddulph e Balashek hanno progettato il primo "sistema di input vocale" che ha riconosciuto "dieci cifre pronunciate da un singolo utente con una precisione del 100%" nel 1952. Attualmente, i migliori sistemi possono riconoscere discorso continuo e naturale, fino a 160 parole al minuto, con una precisione del 95%. Con l'aiuto dell'intelligenza artificiale, le macchine al giorno d'oggi possono usare la voce delle persone per identificare le loro emozioni come soddisfatte o arrabbiate

Voce robotica

Esistono altri ostacoli quando si consente al robot di usare la voce per interagire con gli umani. Per ragioni sociali, la voce sintetica si rivela non ottimale come mezzo di comunicazione, rendendo necessario sviluppare la componente emotiva della voce robotica attraverso varie tecniche. Un vantaggio della ramificazione difonica è l'emozione che il robot è programmato per proiettare, può essere trasportato sul nastro vocale, o fonema, già preprogrammato sul supporto vocale. Uno dei primi esempi è un robot didattico chiamato Leachim sviluppato nel 1974 da Michael J. Freeman . Leachim è stato in grado di convertire la memoria digitale in un discorso verbale rudimentale su dischi di computer preregistrati. È stato programmato per insegnare agli studenti nel Bronx, New York .

Gesti

Si può immaginare, in futuro, di spiegare a un robot chef come fare un pasticcino, o chiedere indicazioni a un poliziotto robot. In entrambi questi casi, fare gesti con le mani aiuterebbe le descrizioni verbali. Nel primo caso, il robot starebbe riconoscendo i gesti compiuti dall'umano, e magari ripetendoli per conferma. Nel secondo caso, il poliziotto robot farebbe un gesto per indicare "giù per la strada, poi gira a destra". È probabile che i gesti costituiranno una parte dell'interazione tra umani e robot. Sono stati sviluppati moltissimi sistemi per riconoscere i gesti delle mani umane.

Espressione facciale

Le espressioni facciali possono fornire un rapido feedback sull'andamento di un dialogo tra due umani e presto potrebbero essere in grado di fare lo stesso per umani e robot. I volti robotici sono stati costruiti da Hanson Robotics utilizzando il loro polimero elastico chiamato Frubber , che consente un gran numero di espressioni facciali grazie all'elasticità del rivestimento facciale in gomma e ai motori sotterranei incorporati ( servi ). Il rivestimento ei servi sono costruiti su un teschio di metallo . Un robot dovrebbe sapere come avvicinarsi a un essere umano, a giudicare dall'espressione facciale e dal linguaggio del corpo . Il fatto che la persona sia felice, spaventata o dall'aspetto pazzo influisce sul tipo di interazione che ci si aspetta dal robot. Allo stesso modo, robot come Kismet e l'aggiunta più recente, Nexi, possono produrre una gamma di espressioni facciali, permettendogli di avere scambi sociali significativi con gli umani.

Emozioni artificiali

Possono essere generate anche emozioni artificiali, composte da una sequenza di espressioni facciali o gesti. Come si può vedere dal film Final Fantasy: The Spirits Within , la programmazione di queste emozioni artificiali è complessa e richiede una grande quantità di osservazione umana. Per semplificare questa programmazione nel film, sono stati creati dei preset insieme a uno speciale programma software. Ciò ha ridotto la quantità di tempo necessaria per realizzare il film. Questi preset potrebbero essere trasferiti per l'uso in robot reali. Un esempio di robot con emozioni artificiali è Robin the Robot sviluppato da una società IT armena Expper Technologies, che utilizza l'interazione peer-to-peer basata sull'intelligenza artificiale. Il suo compito principale è raggiungere il benessere emotivo, cioè superare lo stress e l'ansia. Robin è stato addestrato ad analizzare le espressioni facciali e ad usare il suo viso per mostrare le sue emozioni dato il contesto. Il robot è stato testato da bambini nelle cliniche statunitensi e le osservazioni mostrano che Robin ha aumentato l'appetito e l'allegria dei bambini dopo essersi incontrati e aver parlato.

Personalità

Molti dei robot della fantascienza hanno una personalità , qualcosa che può essere o non essere desiderabile nei robot commerciali del futuro. Tuttavia, i ricercatori stanno cercando di creare robot che sembrino avere una personalità: usano cioè suoni, espressioni facciali e linguaggio del corpo per cercare di trasmettere uno stato interiore, che può essere gioia, tristezza o paura. Un esempio commerciale è Pleo , un dinosauro robot giocattolo, che può esibire diverse emozioni apparenti.

Intelligenza sociale

Il Socially Intelligent Machines Lab del Georgia Institute of Technology ricerca nuovi concetti di interazione didattica guidata con i robot. L'obiettivo dei progetti è un robot sociale che apprende compiti e obiettivi da dimostrazioni umane senza previa conoscenza di concetti di alto livello. Questi nuovi concetti sono basati sui dati dei sensori continui di basso livello attraverso l'apprendimento non supervisionato e gli obiettivi delle attività vengono successivamente appresi utilizzando un approccio bayesiano. Questi concetti possono essere utilizzati per trasferire la conoscenza ad attività future, con conseguente apprendimento più rapido di tali attività. I risultati sono dimostrati dal robot Curi che può raccogliere un po' di pasta da una pentola su un piatto e servire la salsa sopra.

Controllo

Puppet Magnus , una marionetta manipolata da robot con complessi sistemi di controllo.
RuBot II può risolvere manualmente i cubi di Rubik.

La struttura meccanica di un robot deve essere controllata per eseguire le attività. Il controllo di un robot prevede tre fasi distinte: percezione, elaborazione e azione ( paradigmi robotici ). I sensori forniscono informazioni sull'ambiente o sul robot stesso (ad es. la posizione delle sue articolazioni o del suo effettore finale). Queste informazioni vengono poi elaborate per essere memorizzate o trasmesse e per calcolare i segnali appropriati agli attuatori ( motori ) che muovono la meccanica.

La fase di elaborazione può variare in complessità. A livello reattivo, può tradurre le informazioni grezze del sensore direttamente in comandi dell'attuatore. La fusione dei sensori può essere prima utilizzata per stimare i parametri di interesse (ad es. la posizione della pinza del robot) dai dati dei sensori rumorosi. Da queste stime si deduce un compito immediato (come spostare la pinza in una certa direzione). Le tecniche della teoria del controllo convertono il compito in comandi che guidano gli attuatori.

Su scale temporali più lunghe o con compiti più sofisticati, il robot potrebbe aver bisogno di costruire e ragionare con un modello "cognitivo". I modelli cognitivi cercano di rappresentare il robot, il mondo e il modo in cui interagiscono. Il riconoscimento di modelli e la visione artificiale possono essere utilizzati per tracciare gli oggetti. Le tecniche di mappatura possono essere utilizzate per costruire mappe del mondo. Infine, la pianificazione del movimento e altre tecniche di intelligenza artificiale possono essere utilizzate per capire come agire. Ad esempio, un pianificatore può capire come portare a termine un compito senza incontrare ostacoli, cadere, ecc.

Livelli di autonomia

TOPIO , un robot umanoide , ha giocato a ping pong all'IREX di Tokyo 2009.

I sistemi di controllo possono anche avere diversi livelli di autonomia.

  1. L'interazione diretta viene utilizzata per dispositivi tattili o teleoperati e l'essere umano ha il controllo quasi completo sul movimento del robot.
  2. Le modalità di assistenza all'operatore consentono all'operatore di comandare attività di livello medio-alto, con il robot che capisce automaticamente come realizzarle.
  3. Un robot autonomo può restare senza interazione umana per lunghi periodi di tempo. Livelli più elevati di autonomia non richiedono necessariamente capacità cognitive più complesse. Ad esempio, i robot negli impianti di assemblaggio sono completamente autonomi ma operano secondo uno schema fisso.

Un'altra classificazione tiene conto dell'interazione tra il controllo umano ei movimenti della macchina.

  1. Teleoperazione . Un essere umano controlla ogni movimento, ogni cambio dell'attuatore della macchina è specificato dall'operatore.
  2. Vigilanza. Un essere umano specifica i movimenti generali oi cambiamenti di posizione e la macchina decide i movimenti specifici dei suoi attuatori.
  3. Autonomia a livello di compito. L'operatore specifica solo il compito e il robot riesce a portarlo a termine da solo.
  4. Piena autonomia. La macchina creerà e completerà tutti i suoi compiti senza interazione umana.

Ricerca

Due ingegneri del Jet Propulsion Laboratory stanno con tre veicoli, fornendo un confronto delle dimensioni di tre generazioni di rover su Marte. La parte anteriore e centrale è il ricambio di volo per il primo rover su Marte, Sojourner , che è atterrato su Marte nel 1997 come parte del Mars Pathfinder Project. A sinistra c'è un veicolo di prova Mars Exploration Rover (MER) che è un fratello funzionante di Spirit and Opportunity , che è atterrato su Marte nel 2004. A destra c'è un rover di prova per il Mars Science Laboratory, che ha fatto atterrare Curiosity su Marte nel 2012 .
Sojourner è lungo 65 cm (2,13 piedi). I Mars Exploration Rovers (MER) sono lunghi 1,6 m (5,2 piedi). La curiosità sulla destra è lunga 3 m (9,8 piedi).

Gran parte della ricerca in robotica si concentra non su compiti industriali specifici, ma su indagini su nuovi tipi di robot , modi alternativi di pensare o progettare robot e nuovi modi per fabbricarli. Altre indagini, come il progetto cyberflora del MIT , sono quasi interamente accademiche.

Una prima particolare innovazione nella progettazione dei robot è l'open sourcing di progetti di robot. Per descrivere il livello di avanzamento di un robot si può usare il termine "Generation Robots". Questo termine è coniato dal professor Hans Moravec , Principal Research Scientist presso il Carnegie Mellon University Robotics Institute, per descrivere l'evoluzione futura della tecnologia dei robot. I robot di prima generazione , ha previsto Moravec nel 1997, dovrebbero avere una capacità intellettuale paragonabile forse a una lucertola e dovrebbero essere disponibili entro il 2010. Poiché il robot di prima generazione non sarebbe in grado di apprendere , tuttavia, Moravec prevede che il robot di seconda generazione sarebbe un miglioramento oltre il primo e diventeranno disponibili entro il 2020, con l'intelligenza forse paragonabile a quella di un topo . Il robot di terza generazione dovrebbe avere l'intelligenza paragonabile a quella di una scimmia . Sebbene i robot di quarta generazione , i robot con intelligenza umana , predice il professor Moravec, diventerebbero possibili, non prevede che ciò accada prima del 2040 o del 2050 circa.

Il secondo sono i robot evolutivi . Questa è una metodologia che utilizza il calcolo evolutivo per aiutare a progettare robot, in particolare la forma del corpo, o controller di movimento e comportamento . In modo simile all'evoluzione naturale , una vasta popolazione di robot può competere in qualche modo, oppure la loro capacità di eseguire un compito viene misurata utilizzando una funzione di fitness . Quelli che si comportano peggio vengono rimossi dalla popolazione e sostituiti da un nuovo set, che ha nuovi comportamenti basati su quelli dei vincitori. Nel tempo la popolazione migliora e alla fine potrebbe apparire un robot soddisfacente. Ciò avviene senza alcuna programmazione diretta dei robot da parte dei ricercatori. I ricercatori usano questo metodo sia per creare robot migliori, sia per esplorare la natura dell'evoluzione. Poiché il processo richiede spesso la simulazione di molte generazioni di robot, questa tecnica può essere eseguita interamente o principalmente in simulazione , utilizzando un pacchetto software di simulazione di robot , quindi testata su robot reali una volta che gli algoritmi evoluti sono sufficientemente buoni. Attualmente, ci sono circa 10 milioni di robot industriali che lavorano duramente in tutto il mondo e il Giappone è il primo paese ad avere un'alta densità di utilizzo di robot nella sua industria manifatturiera.

Dinamica e cinematica

Video esterno
icona video Come funziona il giocattolo BB-8 Sphero

Lo studio del moto può essere suddiviso in cinematica e dinamica . La cinematica diretta o cinematica diretta si riferisce al calcolo della posizione dell'effettore finale, dell'orientamento, della velocità e dell'accelerazione quando i corrispondenti valori del giunto sono noti. La cinematica inversa si riferisce al caso opposto in cui i valori dei giunti richiesti vengono calcolati per determinati valori dell'effettore finale, come avviene nella pianificazione del percorso. Alcuni aspetti speciali della cinematica includono la gestione della ridondanza (diverse possibilità di eseguire lo stesso movimento), l' evitamento delle collisioni e l' evitamento delle singolarità . Una volta che tutte le posizioni, le velocità e le accelerazioni rilevanti sono state calcolate utilizzando la cinematica , vengono utilizzati metodi del campo della dinamica per studiare l'effetto delle forze su questi movimenti. La dinamica diretta si riferisce al calcolo delle accelerazioni nel robot una volta note le forze applicate. La dinamica diretta viene utilizzata nelle simulazioni al computer del robot. La dinamica inversa si riferisce al calcolo delle forze dell'attuatore necessarie per creare un'accelerazione prescritta dell'effettore finale. Queste informazioni possono essere utilizzate per migliorare gli algoritmi di controllo di un robot.

In ciascuna area sopra menzionata, i ricercatori si sforzano di sviluppare nuovi concetti e strategie, migliorare quelli esistenti e migliorare l'interazione tra queste aree. Per fare ciò, devono essere sviluppati e implementati criteri per prestazioni "ottimali" e modi per ottimizzare la progettazione, la struttura e il controllo dei robot.

Bionica e biomimetica

La bionica e la biomimetica applicano la fisiologia ei metodi di locomozione degli animali alla progettazione di robot. Ad esempio, il design di BionicKangaroo si basava sul modo in cui saltano i canguri.

Calcolo quantistico

Ci sono state alcune ricerche sul fatto che gli algoritmi robotici possano essere eseguiti più rapidamente sui computer quantistici di quanto non possano essere eseguiti sui computer digitali . Quest'area è stata definita robotica quantistica.

Istruzione e formazione

Il robot educativo SCORBOT-ER 4u

Gli ingegneri di robotica progettano robot, li mantengono, sviluppano nuove applicazioni per loro e conducono ricerche per espandere il potenziale della robotica. I robot sono diventati uno strumento educativo popolare in alcune scuole medie e superiori, in particolare in alcune parti degli Stati Uniti , nonché in numerosi campi estivi giovanili, suscitando interesse tra gli studenti per la programmazione, l'intelligenza artificiale e la robotica.

Formazione professionale

Università come il Worcester Polytechnic Institute (WPI) offrono lauree , master e dottorati nel campo della robotica. Le scuole professionali offrono formazione robotica finalizzata a carriere nel settore della robotica.

Certificazione

La Robotics Certification Standards Alliance (RCSA) è un'autorità internazionale di certificazione della robotica che conferisce varie certificazioni di robotica legate all'industria e all'istruzione.

Campo estivo di robotica

Diversi programmi di campi estivi nazionali includono la robotica come parte del loro curriculum di base. Inoltre, i programmi estivi di robotica per i giovani sono spesso offerti da celebri musei e istituzioni.

Gare di robotica

Ci sono molte competizioni in tutto il mondo. Il curriculum SeaPerch è rivolto a studenti di tutte le età. Questo è un breve elenco di esempi di concorrenza; per un elenco più completo vedi Concorso Robot .

Concorsi per i bambini più piccoli

La FIRST organizzazione offre le competizioni FIRST Lego League Jr. per i bambini più piccoli. L'obiettivo di questo concorso è offrire ai bambini più piccoli l'opportunità di iniziare a conoscere la scienza e la tecnologia. I bambini di questa competizione costruiscono modelli Lego e hanno la possibilità di utilizzare il kit robotico Lego WeDo.

Concorsi per bambini dai 9 ai 14 anni

Una delle competizioni più importanti è la FLL o FIRST Lego League . L'idea di questo concorso specifico è che i bambini inizino a sviluppare conoscenze e ad entrare nella robotica giocando con i Lego dall'età di nove anni. Questo concorso è associato a National Instruments . I bambini usano Lego Mindstorms per risolvere le sfide della robotica autonoma in questa competizione.

Concorsi per adolescenti

La FIRST Tech Challenge è pensata per studenti di livello intermedio, come transizione dalla FIRST Lego League alla FIRST Robotics Competition .

La PRIMA Competizione di Robotica si concentra maggiormente sulla progettazione meccanica, con un gioco specifico che viene giocato ogni anno. I robot sono costruiti appositamente per il gioco di quell'anno. Nel match play, il robot si muove autonomamente durante i primi 15 secondi di gioco (sebbene alcuni anni come Deep Space del 2019 cambino questa regola) ed è azionato manualmente per il resto della partita.

Concorsi per studenti più grandi

Le varie competizioni RoboCup includono squadre di adolescenti e studenti universitari. Queste competizioni si concentrano su gare di calcio con diversi tipi di robot, gare di danza e gare di ricerca e salvataggio urbani. Tutti i robot in queste competizioni devono essere autonomi. Alcune di queste competizioni si concentrano su robot simulati.

AUVSI organizza concorsi per robot volanti , barche robot e robot subacquei .

La Student AUV Competition Europe (SAUC-E) attrae principalmente squadre di studenti universitari e laureati. Come nelle competizioni AUVSI, i robot devono essere completamente autonomi mentre partecipano alla competizione.

La Microtransat Challenge è una competizione per navigare su una barca attraverso l'Oceano Atlantico.

Concorsi aperti a tutti

RoboGames è aperto a chiunque desideri competere nelle sue oltre 50 categorie di competizioni robot.

Federation of International Robot-Soccer Association tiene le gare della Coppa del Mondo FIRA. Ci sono gare di robot volanti, gare di calcio robot e altre sfide, tra cui bilancieri per sollevamento pesi realizzati con tasselli e CD.

Programmi doposcuola di robotica

Molte scuole in tutto il paese stanno iniziando ad aggiungere programmi di robotica al loro curriculum doposcuola. Alcuni importanti programmi per la robotica doposcuola includono FIRST Robotics Competition , Botball e BEST Robotics. Le competizioni di robotica spesso includono aspetti di business e marketing, nonché ingegneria e design.

L' azienda Lego ha avviato un programma per i bambini per imparare e appassionarsi alla robotica in giovane età.

Robotica Educativa Decoloniale

La robotica educativa decoloniale è una branca della tecnologia decoloniale e dell'intelligenza artificiale decoloniale, praticata in vari luoghi del mondo. Questa metodologia è riassunta in teorie e pratiche pedagogiche come la Pedagogia degli Oppressi e il metodo Montessori . E mira a insegnare la robotica dalla cultura locale, a pluralizzare e mescolare le conoscenze tecnologiche.

Occupazione

Un tecnico robot costruisce piccoli robot fuoristrada. (Per gentile concessione di MobileRobots, Inc.)

La robotica è un componente essenziale in molti ambienti di produzione moderni. Man mano che le fabbriche aumentano il loro uso di robot, il numero di posti di lavoro legati alla robotica cresce e si è osservato che è in costante aumento. L'impiego di robot nelle industrie ha aumentato la produttività e il risparmio di efficienza ed è generalmente visto come un investimento a lungo termine per i benefattori. Un articolo di Michael Osborne e  Carl Benedikt Frey ha  rilevato che il 47% dei posti di lavoro negli Stati Uniti è a rischio per l'automazione "per un numero imprecisato di anni". Queste affermazioni sono state criticate sulla base del fatto che la politica sociale, non l'intelligenza artificiale, causa la disoccupazione. In un articolo del 2016 su The Guardian, Stephen Hawking ha dichiarato: "L'automazione delle fabbriche ha già decimato i posti di lavoro nella produzione tradizionale e l'ascesa dell'intelligenza artificiale probabilmente estenderà questa distruzione di posti di lavoro in profondità nelle classi medie, con solo i più attenti e creativi o ruoli di supervisione rimanenti”.

Secondo un rapporto GlobalData del settembre 2021, l'industria della robotica valeva 45 miliardi di dollari nel 2020 ed entro il 2030 crescerà con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 29% fino a 568 miliardi di dollari, favorendo posti di lavoro nella robotica e nei settori correlati.

Implicazioni per la sicurezza e la salute sul lavoro

Un documento di discussione redatto dall'EU-OSHA evidenzia come la diffusione della robotica presenti sia opportunità che sfide per la sicurezza e la salute sul lavoro (SSL).

I maggiori benefici in materia di SSL derivanti da un uso più ampio della robotica dovrebbero essere la sostituzione delle persone che lavorano in ambienti malsani o pericolosi. Nello spazio, nella difesa, nella sicurezza o nell'industria nucleare, ma anche nella logistica, nella manutenzione e nell'ispezione, i robot autonomi sono particolarmente utili per sostituire i lavoratori umani che svolgono compiti sporchi, noiosi o pericolosi, evitando così l'esposizione dei lavoratori ad agenti e condizioni pericolose e ridurre i rischi fisici, ergonomici e psicosociali. Ad esempio, i robot sono già utilizzati per svolgere compiti ripetitivi e monotoni, per maneggiare materiale radioattivo o per lavorare in atmosfere esplosive. In futuro, molti altri compiti altamente ripetitivi, rischiosi o spiacevoli verranno eseguiti dai robot in una varietà di settori come l'agricoltura, l'edilizia, i trasporti, l'assistenza sanitaria, i servizi antincendio o di pulizia.

Nonostante questi progressi, ci sono alcune abilità alle quali gli umani saranno più adatti delle macchine per un po' di tempo a venire e la domanda è come ottenere la migliore combinazione di abilità umane e robotiche. I vantaggi della robotica includono lavori pesanti con precisione e ripetibilità, mentre i vantaggi degli esseri umani includono creatività, capacità decisionale, flessibilità e adattabilità. Questa necessità di combinare competenze ottimali ha portato robot collaborativi e umani a condividere più da vicino uno spazio di lavoro comune e ha portato allo sviluppo di nuovi approcci e standard per garantire la sicurezza della "fusione uomo-robot". Alcuni paesi europei stanno includendo la robotica nei loro programmi nazionali e stanno cercando di promuovere una cooperazione sicura e flessibile tra robot e operatori per ottenere una migliore produttività. Ad esempio, l'Istituto federale tedesco per la sicurezza e la salute sul lavoro ( BAuA ) organizza seminari annuali sul tema "collaborazione uomo-robot".

In futuro, la cooperazione tra robot e umani sarà diversificata, con i robot che aumenteranno la loro autonomia e la collaborazione uomo-robot raggiungerà forme completamente nuove. Gli attuali approcci e standard tecnici volti a proteggere i dipendenti dal rischio di lavorare con robot collaborativi dovranno essere rivisti.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

  • R. Andrew Russell (1990). Rilevamento tattile del robot . New York: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-781592-0.
  • E McGaughey, 'I robot automatizzano il tuo lavoro? Piena occupazione, reddito di base e democrazia economica' (2018) SSRN, parte 2(3)
  • DH Autor, 'Perché ci sono ancora così tanti lavori? La storia e il futuro dell'automazione del posto di lavoro' (2015) 29(3) Journal of Economic Perspectives 3
  • Tooze, Adam , "Democracy and its Discontents", The New York Review of Books , vol. LXVI, n. 10 (6 giugno 2019), pp. 52-53, 56-57. "La democrazia non ha una risposta chiara per il funzionamento insensato del potere burocratico e tecnologico . Potremmo infatti assistere alla sua estensione sotto forma di intelligenza artificiale e robotica. Allo stesso modo, dopo decenni di terribili avvertimenti, il problema ambientale rimane fondamentalmente non affrontato ... Il superamento burocratico e la catastrofe ambientale sono proprio il tipo di sfide esistenziali lente che le democrazie affrontano molto male... Infine, c'è la minaccia del giorno: le aziende e le tecnologie che promuovono". (pagg. 56-57.)

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