Как научить робота чувствовать?

Для многих из нас уже привычное явление, что роботы могут видеть и слышать на уровне человека. В зависимости от поставленных задач они наделены различными расширенными спектрами восприятия. Итак, научить робота чувствовать могут следующие технологии:

№1: Датчики

Это основной способ заставить робота ощущать мир вокруг себя.

Датчики бывают оптические, звуковые, инфракрасные, тактильные, датчики положения и температуры. Первые три являются наиболее распространенными. С их помощью робот «видит» и «слышит» ближайшие вокруг себя объекты. Кроме того, эти сенсоры самые доступные. В среднем, стоимость этих датчиков варьируется в пределах 10 долларов. Простейшие роботы в основном используют инфракрасные и ультразвуковые датчики для определения препятствий на своем пути и их обхождения.

К их числу можно отнести микрофон, служащий для фиксации звука, голоса и шума, дальномеры для измерения расстояния до ближайших объектов и ультразвуковые сенсоры, которые используются практически во всех подвижных механизмах.

Если речь идет о беспилотных летательных аппаратах или роботах с возможностью самобалансировки, здесь нужны датчики наклона, гироскопы и акселерометры. Кроме того, не обойтись без GPS – спутниковой системы навигации. Эта система обеспечивает измерение расстояния, времени и определяет местоположение робота в пространстве. 

Гироскоп нужен для балансировки и стабилизации любого устройства. Это доступный датчик (около 1 500 рублей), который можно установить на любой самодельный механизм. 

Акселерометр, используемый в робототехнике, помогает программному обеспечению устройства определить положение, а также расстояние перемещения робота в пространстве. Если робот имеет только одну ось, акселерометр показывает положение объекта в пространстве только в пределах чувствительности оси. Но, как правило, роботы имеют несколько осей, объединив которые можно вычислить положение объекта в трехмерном пространстве.

Видео:

№2: Техническое зрение

Зрение – крайне важен орган чувств у роботов. Самые простые оптические датчики – это датчики отражения (излучатель и приемник). Они позволяют роботу определять различные по цвету участки на поверхности и обходить препятствия. Источником света обычно служит инфракрасный светодиод с линзой, а детектором — фотодиод или фототранзистор.

Но речь идет не только о датчиках. В основе технического зрения лежит аналитическая формализация, направленная на решение конкретных задач. Самые простые системы технического зрения основаны на методе сегментации – выделении черт и частей объектов, на основе которых робот формирует свое представление об увиденном. Далее, при работе более сложных алгоритмов можно научить робота распознавать черты лица, жесты и движения. Камеры передают эти данные на центральный компьютер для обработки и сохранения. И таким образом, видя одного и того же человека, робот будет «помнить» его по лицу или другим чертам.

№3: Силовая обратная связь

Сигнал обратной связи важен в тех случаях, когда робот должен уметь захватывать разнообразные предметы, и даже очень хрупкие. Обычно, такие сенсоры практикуют в разработке роботизированных протезов, роботов для промышленности и социальных устройств с функциями манипулирования предметами.

Но и простейшие роботы могут быть наделены такими датчиками. Самый простой тактильный сенсор может быть представлен в виде небольшого отрезка стальной проволоки с пружиной на конце. Этот отрезок должен прилагаться к плате со стороны пружины и свободно двигаться в нужные стороны. По центру пружины к плате прикрепляется короткий стержень из проволоки. Прикасаясь отрезком к препятствию, происходит замыкание между пружиной и центральным стержнем, что интерпретируется как столкновение.

На данный момент лучшим устройством для обеспечения сигнала обратной связи является тензодатчик, разработанный на кристаллах кремния, которые создают незначительный, но мгновенный отклик.

Силовые датчики должны обладать высоким уровнем выходного напряжения, быть прочными, нечувствительными к температурным изменениям и иметь небольшую массу. Независимо от вида силовых датчиков обратной связи они должны иметь способность устранять сигналы внешних факторов (сильный шум, вибрация), а также должны быть защищены от повреждений с помощью автоматического отключения.

№4: Искусственная кожа

Искусственная кожа с возможностью ощущать прикосновения стала настоящим вызовом для специалистов робототехники. По сути, это сенсорная технология, использующая сигналы от микро-датчиков, размещенных на расстоянии нескольких миллиметров. С помощью искусственной кожи роботы реагируют на температуру, текстуру и форму поверхности.

Ученые из Стэнфордского университета пару лет назад создали эластичный материал, который выполняет роль одновременно гибкой солнечной панели и тактильного датчика.  Чувствительность к прикосновениям была добавлена за счет микротранзисторов, которые регистрируют изменения силы тока.

Продвигаясь в этом направлении, ученые из Технологического института Джорджии добавили компоненты оптоэлектроники для упрощенной регистрации этих сигналов. 

В свою очередь, исследователи университета Сингапура разработали многослойную искусственную кожу с датчиками запоминания информации о прикосновениях. Устройство воспроизводит работу тактильной памяти в головном мозге, которая сохраняет ощущения, переданные рецепторами кожи, после прекращения воздействия.

Эта кожа поможет роботам определять, какой объект они берут, рассчитывая силу захвата, чтобы не повредить его.
Конечно, до идеальной кожи для роботов пока далеко, но уже сейчас, как видите, есть много перспектив в этом исследовании.

Видео:

Подводя итоги, отметим, что используемые сенсоры обеспечивают развитие робототехники как на среднем, так и на высоком уровне. Чувствительные конечности нужны роботам, чтобы быть более способными в выполнении различных задач. В большой степени они помогают продвижению человекоподобных машин, к уровню которых так стремятся большинство ученых по всему миру.