Аспекты и проблематика развития человекоподобных роботов

Аспекты и проблематика развития человекоподобных роботов

Аспекты и проблематика развития человекоподобных роботовПерманентно растущая потребность человечества в новейших технологиях, привела к тому, что произошёл качественный переход использования гуманоидных роботов из полевых условий военного назначения, к функциям, использующимся в мирной жизни. Необходимость выполнять простые бытовые функции, привела к революционному росту технологий в робототехнике. Компьютеры, ставшие уже обыденностью, но помогающие нам в решении повседневных задач гораздо эффективнее/быстрее, чем это может сделать обычный человек, — это более чем достаточный показатель необходимости развития и человекоподобных роботов. Они выглядят как мы, они общаются, как мы, они ходят, как мы — все эти простые действия, с которыми люди рождаются, ещё не вполне доведены до совершенства, чтобы их могли повторить гуманоидные роботы. Как бы просто это ни звучало, но они являются производными от человеческой природы. Воспроизведение человеческой природы, от крошечного движения пальца до максимально приближенных движений реального человека, стало огромным достижением в области робототехники. Рост развития человекоподобных роботов следует считать одним из наилучших возможных достижений в этой области. Давайте заглянем в прошлое, где все начиналось и проследим, как оно переросло из футуристического вымышленного состояния, буквально в физическое настоящее.

Продолжительность «жизни» роботизированных устройств (под этим термином надо понимать полную качественную обновляемость механизмов, функций, компонентов) постоянно увеличивается со старением населения и снижением рождаемости в развитых странах. С увеличением потребности в рабочей силе, которая не может быть легко воспроизведена или найдена с точки зрения использования в задействованных циклах производства самих людей, наилучшей возможной заменой стали роботизированные устройства и автоматизированные линии. Именно из-за общего развития которых и технологии, связанные с роботами-гуманоидами, качественно продвинулась за последние годы. Более того, по оценкам специалистов, инновации ещё более улучшатся в ближайшие годы, а инвестиции возрастут.

Атрибуты гуманоидного робота должны иметь наименьшие различия по сравнению с реальным человеком. Следование траектории человеческой руки считается одним из жизненно важных движений таких кибернетических устройств. Человеческая рука имеет множество степеней свободы, что делает её одним из самых сложных элементов любого робота при воспроизведении движений человека. Биомеханика человеческой руки имеет тенденцию дублировать движения присущие человеческой руке в гуманоидном роботе, и эта необходимость требуется в таких областях, как здравоохранение, домашние роботы и т.д. Например, замена ампутированной руки роботизированными протезами является одной из ключевых целей биомеханики. Модель такого манипулятора в Matlab состоит из прямой и обратной кинематики, генератора траекторий, телескопического механизма и динамического блока. Моделирование с помощью Matlab было использовано для создания наиболее естественного движения человеческой руки.

Еще одной ключевой особенностью, которая совершенствовалась на протяжении многих лет, является функция гуманоидного робота ходить как человек. На протяжении многих лет стабильная ходьба была усовершенствована для них с концепциями точки нулевого момента и уравновешивания при переносе центра массы. Процесс стабильной ходьбы был упрощён при использовании прогнозирующего ПИД-регулятора, который фактически имитирует вычисляемое время и при этом снижает коэффициент сложности управления. Кроме того, в движение гуманоидного робота могут быть включены такие виды человеческой деятельности, как, например, плавание. Несмотря на то, что соревновательное плавание у людей имеет действительно долгую историю, его полная механика до сих пор до конца не изучена. Поскольку это чрезвычайно сложный процесс, в котором сложное человеческое тело неустойчиво движется со многими степенями свободы в трёхмерном потоке воды. Роботы были созданы с единственной целью — помогать людям в процессе плавания и, в свою очередь, узнавать больше о плавании с помощью моделирования. Примером этого является создание плавающего андроида SWUMANOID (Swimming Humanoid robot) как следует из его названия, это робот, который используется для попытки воспроизведения и тестирования плавательных движений.

Движение, подобное человеческому, само по себе не определяет робота как «гуманоидный тип», его способность чувствовать также должна вписываться в эту концепцию. Система обнаружения человека с использованием датчиков и машинного зрения — это наиболее экономичный способ установки системы получения роботом аудиовизуальной информации. Если рассуждать посредством простой человеческой логики, то этот способ весьма прост — андроид обнаруживает человека и отслеживает нужного человека с помощью индивидуальной камеры со встроенной системой формирования изображения. Система датчиков машинного зрения является наиболее широко используемой сенсорной системой для робота, но факторы освещения и внешнего вида объекта постоянно приводят к случаям дефектов при распознавании в различных условиях. Расположение объекта, окружающие факторы и способность следовать траектории с минимальным использованием энергии и за кратчайшее временя, должны быть ключевыми характеристиками, когда речь идёт о разработке эффективных роботизированных систем. Такие факторы, как предельная полезная нагрузка, которую ограничивают элементы автономного питания, не позволяют роботу носить в себе тяжёлые сенсорные системы.

Веб-ориентированное обучение и распознавание объектов — это ещё одно средство изучения объектов для человекоподобных роботов. Облачные ресурсы в этом случае являются преимуществом, даже при отсутствии доступа в Интернет робот может использовать вычислительные возможности смартфона/компьютера пользователя и распознавать изображения, задействовав сторонние вычислительные мощности. Информационно структурированная среда была одним из способов восприятия окружающей среды, где различные данные от распределённых датчиков интегрируются в нужные сигналы для роботизированной системы. Машинное самообучение, обнаружение движения и генерация движения — одна из новейших технологий, используемых в гуманоидной робототехнике. Движение человека обнаруживается роботом, после чего он приспосабливается к движению человека и учится следовать его траектории движения. Повторяемость обеспечивается процессом обучения, и этим определяется его точность. Данные сохраняются и процесс воспроизводится при необходимости.

Необходимость того, чтобы робот выглядел более похожим на человека, имеет важное значение для взаимодействия человека и машины. Были проведены исследования, и робот, обладающий способностью демонстрировать выражения лица и поведение в ответ на его общение, значительно превосходит других в плане позитивного восприятия человеком. Потребность в внешнем виде и поведении, как оказалось, является довольно важным требованием.

Общение между человеком и роботом называется взаимодействием. Это взаимодействие осуществляется различными способами, куда входит и метод обучения, при котором робот следует жестам и движениям человека, сохраняя данные, а затем следует запомненной траектории при выполнении этого движения. Преобразование речи в текст, с дальнейшей оцифровкой в понятные для кибернетического устройства сигналы — это ещё одно средство связи между человеком и роботом. В области взаимодействия человека и робота применимость кинематики и формы зависит от двух факторов. Первый заключается в поддержании связи в реальном времени между роботом и человеком, что подразумевает использование алгоритмов, имеющих низкую стоимость вычислительного времени и не требующих ресурсов памяти. Второе условие — это такие аспекты, как внешний вид и восприятие кибернетического организма человеком.

Области применения человекоподобных роботов и коботов огромны. Одной из основных областей, где андроиды оказали значительную помощь, является медицина. В случае расстройств аутистического спектра (РАС) статистика показывает эпидемический рост с 1960-х годов. В последние годы роботы все чаще используются в диагностике и лечении аутизма. На начальном этапе разработчики определили необходимость наличия факторов, которые должны наличествовать у робота для проведения лечения аутизма, на втором этапе такие роботы стали допускаться к общению с пациентами с РАС в процессе которого и проводится клиническое вмешательство. Человекоподобные роботы также были внедрены в некоторые процедуры для лечения детского церебрального паралича (ДЦП). ДЦП является одним из наиболее распространённых недугов, встречающихся у детей, которые вызывают нарушения движений и осанки. Социально-вспомогательная робототехника (SAR) является примером высокотехнологичной инновации, которая помогает людям в реабилитационном лечении ДЦП и РАС. Гуманоидные роботы допускают человекоподобные жесты, что приводит к динамичному взаимодействию людей с роботами, которое называется человеко-роботизированным взаимодействием (HRI). С человекоподобной реакцией гуманоидных роботов, таких как АЛИСА (ALICE) и НАО (NAO), можно развивать двигательные навыки у пациентов с ДЦП, улучшать социальные навыки и навыки имитации у детей с аутизмом. Андроиды даже используются в области ортопедии. В хирургии давно уже продвигают такую технологию, способствующую хирургическому вмешательству, потому что эти технологии обеспечивают точное позиционирование хирургического устройства и могут прикладывать точные заранее определённые усилия, с высочайшей точностью, близкой к нулевой погрешности. В будущем это может обеспечить более точное хирургическое лечение пациентов. Робот управляется компьютером, и это обстоятельство нивелирует вероятность фактора ошибки из-за человеческой небрежности.

Образовательный процесс — это ещё одна область применения гуманоидных роботов. Обучающий робот может быть создан для использования в качестве инструмента, повышающего мотивацию и заинтересованность учащихся. Робот NAO был в основном создан в образовательных целях, чтобы учащиеся могли больше взаимодействовать с ним и получать необходимые знания от него, одновременно практикуясь в программировании робототехники. Тем не менее, эта разновидность андроида может быть запрограммирована на выполнение и многих других задач. Например, разработчиками системы он был использован в качестве гида-путеводителя по лабораториям инновационного обучающего кластера. С каждой новой партией студентов их нужно знакомить с различными устройствами, алгоритмами их работы и процессом создания. При этом можно избежать необходимости в дополнительном операторе для выполнения избыточных объяснений, и учащиеся смогут сами взаимодействовать с роботами. Этот робот уже экспериментально используется в некоторых музеях и выставочных залах в качестве гидов.

firstplatoon