Robotica

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un robot casnic

Robotica este disciplina inginerească care studiază și dezvoltă metode care permit unui robot să îndeplinească sarcini specifice prin reproducerea automată a muncii umane. Deși robotica este o ramură a ingineriei, mai precis a mecatronicii , ea reunește abordări din multe discipline atât de natură umanistă, lingvistică , cât și științifică: biologie , fiziologie , psihologie , electronică , fizică , informatică , matematică și mecanică .

Origini ale termenului

Cuvântul robot provine din cehă robota, care înseamnă „muncă grea” sau „muncă forțată”. Acest termen a fost introdus de scriitorul ceh Karel Čapek, în 1920 în nuvela sa RUR (Roboții universali ai lui Rossum). [1] Termenul derivat din engleză robotică , conform Oxford English Dictionary , apare pentru prima dată într-o nuvelă științifico- fantastică a scriitorului Isaac Asimov intitulată Liar! ( Mincinos! 1941 ). Tot lui Asimov îi datorăm și invenția celebrelor Trei legi ale roboticii enunțate în întregime în povestea Cercul vicios ( Runaround , 1942 ); ambele povești fac parte din antologia Io, Robot .

Domenii de utilizare

Știința robotică, tocmai în virtutea naturii sale interdisciplinare , găsește aplicații în contexte multiple; acest lucru a condus la apariția diferitelor subdiscipline între care rareori există o linie distinctă clară.

  • Arta robotică : se referă la roboți utilizați atât pentru a crea noi forme de expresie artistică , cât și pentru a imita și reproduce forme de artă existente. Roboții concepuți pentru a picta sau a cânta un instrument muzical citind un scor în timp real sunt un exemplu în acest sens.
  • Domotică : obiectivul său este automatizarea aplicată mediului casnic. Printre cele mai interesante evoluții pe termen scurt se numără tehnologiile pentru a ajuta persoanele cu handicap mental sau fizic în viața de zi cu zi acasă.
  • Microrobotică : se ocupă cu studiul și diseminarea unor roboți mici cu preț redus, folosiți în scopuri educaționale sau recreative.
  • Robotică biomedicală : este o ramură foarte vastă a roboticii care include diferite tipuri de roboți; roboți capabili să asiste chirurgul în timpul operațiilor, radioterapie robotică, roboți cu telecomandă cu așa-numitele tehnologii de telepresență care permit chirurgului să opereze de la distanță. Echipamentele sofisticate de analiză biologică utilizate în laboratoare intră, de asemenea, în categorie.
  • Robotică Swarm .
  • Robotică de divertisment : se ocupă de tehnologiile utilizate în parcurile tematice, muzee sau efecte speciale de cinema pentru a distra și educa un număr mare de public; un exemplu de utilizare sunt animatronele audio utilizate adesea pentru a reproduce trăsăturile unor personaje fantastice sau specii de animale dispărute acum, cum ar fi dinozaurii.
  • Robotica evolutivă : este o disciplină care, prin studiul algoritmilor evolutivi , încearcă să creeze roboți din ce în ce mai versatili pentru a face sprijinul uman mai puțin esențial.
  • Robotică industrială : se referă la mașinile care înlocuiesc oamenii în operații repetitive. Domeniul industrial este cu siguranță cel în care roboții au găsit o difuzie mai mare: utilizarea lor în liniile de asamblare a permis companiilor să reducă semnificativ costurile prin accelerarea și îmbunătățirea producției. Printre roboții cei mai utilizați de industrie se află brațul robotizat sau robotul manipulator , construit în imitația brațului uman, dar adesea echipat cu mai multe grade de libertate : este o mașină foarte versatilă care se pretează la diverse sarcini, inclusiv vopsirea, sudarea sau asamblare. Este interesant de observat cum acest tip de mașină este adesea folosit pentru a produce alți roboți similari, făcând speculațiile făcute de știința-ficțiune pe mașinile cu auto-replicare un discurs mult mai aproape de viața noastră de zi cu zi.
  • Robotica marină : aceasta este o ramură în proces de expansiune datorită numeroaselor aplicații industriale, legate în principal de sectorul petrolier, sau științific, arheologic și militar.
  • Robotică militară : se referă de obicei la roboți utilizați în scopuri de inspecție. Deși știința-ficțiune este plină de referințe la roboți utilizați în armată, aceștia sunt folosiți în prezent mai ales în scopuri de recunoaștere și supraveghere. Un exemplu al acestor aplicații este cel al avioanelor fără pilot numite drone . Acest tip de vehicul este controlat de la distanță de personal special, dar în caz de urgență poate îndeplini și diverse sarcini în totală autonomie, permițând recunoașterea teatrelor de război puternic apărate fără a pune în pericol viețile umane. Un alt exemplu de robotică militară sunt roboții echipei de bombe care sunt capabili, datorită setului larg de instrumente furnizate, să efectueze analiza unei explozii de bombă și, eventual, să neutralizeze de la distanță reducând riscurile pentru echipa de bombe .
  • Robotică socială : își propune să dezvolte tehnologii care să facă roboții din ce în ce mai capabili să interacționeze și să comunice cu oamenii în mod independent.
  • Robotica spațială : se referă la aplicațiile și utilizarea roboților din afara atmosferei Pământului. În ciuda acestui fapt, acest sector al roboticii a avut repercusiuni și rezultate utile și în domenii care depășesc cercetarea spațială. Exemple ale acestor roboți sunt sondele exploratorii folosite în diferite misiuni pe planetele sistemului solar sau faimosul braț manipulator al Navetei Spațiale sau brațul asemănător omului destinat ISS, care va fi folosit pentru a înlocui astronauții în activități extravehiculare .
  • Robotică umanoidă : se referă la dezvoltarea și construcția de roboți de tip uman.
  • Telerobotica .
  • Competiții robotice : include toate acele aplicații ludice în care roboții sunt dezvoltați și folosiți pentru a desfășura competiții de orice fel, de exemplu, jucând fotbal sau alergând la o cursă auto.
  • Robotică de control și inspecție în domeniul aeronautic pentru verificarea întreținerii aeronavelor .

Modelare

Realizarea oricărei sarcini de către un robot este subordonată executării unei mișcări specifice care trebuie planificată. Executarea corectă a acestei mișcări este încredințată unei unități de control care trimite un set adecvat de comenzi pe baza tipului de mișcare dorit. Un sistem robotizat are o structură mecanică articulată și este esențial să-i schematizăm comportamentul utilizând un model matematic care identifică legăturile cauză-efect dintre organele constitutive.

Analiza cinematică

Analiza cinematică a unui robot se referă la descrierea mișcării sale, indiferent de considerațiile asupra forțelor și momentelor care îl determină. Se împarte în:

Identificarea acestor legături permite formularea problemei cinematice inverse care constă în obținerea valorilor care trebuie atribuite parametrilor interni ai robotului pentru a urma o specificație de mișcare specifică .

Analiza dinamică

Modelarea dinamicii unui robot este esențială pentru proiectarea sistemului de control al acestuia. De fapt, mișcarea unui sistem robotizat este asigurată de un sistem de acționare care are sarcina de a furniza puterea necesară sarcinilor care trebuie îndeplinite, transformându-l de la o formă la alta în funcție de necesități. Și aici este necesar să se facă distincția între dinamică și dinamică inversă: prima se referă la calculul accelerațiilor componentelor robotului în funcție de forțele de acționare și este utilă în simulare , a doua caută metode pentru a determina forțele de acționare la să fie dat pentru a obține accelerațiile dorite.

Planificarea sistemului

O problemă crucială constă în specificarea mișcărilor care trebuie impuse robotului pentru a îndeplini sarcinile încredințate acestuia. Sarcina planificării traiectoriilor este de a genera legi orare pentru variabilele caracteristice ale sistemului, pornind de la o descriere informală a tipului de mișcare care trebuie obținută. În special, coliziunile cu posibilele obstacole din mediul de lucru trebuie evitate prin instrumente algoritmice precum diagramele Voronoi sau metoda potențialelor artificiale.

Verifica

Traiectoriile generate în faza de planificare constituie intrarea de referință a sistemului de control al robotului. Acesta din urmă este un sistem de complexitate extremă și fiecare dintre modelele sale este inadecvat datorită prezenței a numeroase efecte dinamice neașteptate, cum ar fi fricțiunea și cuplajele dintre componente. Prin urmare, este necesar să se introducă un anumit număr de bucle de feedback , fără de care ar fi imposibil să se garanteze îndeplinirea cerințelor de precizie dorite. Pentru ca robotul să poată monitoriza moment cu moment cât diferă comportamentul său de cel planificat, acesta trebuie să fie echipat cu senzori capabili să măsoare cantități precum poziția , viteza, forțele schimbate cu mediul.

Senzori

Senzorii sunt împărțiți în două mari categorii:

  • Senzori proprioceptivi: măsoară variabilele interne ale robotului, cum ar fi viteza roții sau nivelul de încărcare a bateriei .
  • Senzori exteroceptivi: măsoară variabile externe precum distanța de obstacole sau poziția obiectelor pe care să îndeplinească o sarcină.

Codificator

Codificatorii sunt senzori proprioceptivi capabili să transducă poziția unghiulară a articulațiilor robotului. Acestea joacă un rol esențial în robotica industrială . Există două tipuri.

  • Codificatorul absolut este un disc optic de sticlă pe care există urme concentrice. Fiecare pistă este caracterizată printr-o succesiune de sectoare opace și transparente. Pe baza alternanței acestor sectoare, folosind o rază de lumină captată de un fototranzistor , este posibil să se identifice în mod unic un șir de biți care exprimă digital deplasarea unghiulară a articulațiilor.
  • Codificatorul incremental raportează două piste ale căror sectoare opace și transparente sunt în cuadratură între ele. În plus față de variația poziției unghiulare, permite obținerea direcției de rotație efectuată. Fiind un senzor incremental, este necesar să efectuați o resetare, ajungând de obicei la o poziție cunoscută la pornire.

Distanţă

Printre senzorii capabili să evalueze distanța obiectelor din apropiere se numără SONAR-urile care utilizează impulsuri acustice din care se măsoară timpul de zbor senzor-obstacol-senzor. Cunoscând viteza de propagare a sunetului, este posibil să se calculeze distanța de la obstacol. În aplicațiile robotice submarine și în mediile cu vizibilitate redusă, acestea sunt adesea singura soluție viabilă. O altă posibilitate este constituită de LASER , a cărui eficiență este totuși limitată de intervalul minim de timp observabil, deoarece valoarea foarte mare a vitezei luminii face timpul de zbor în general imperceptibil.

Viziune

Un alt instrument util pentru ca robotul să se orienteze în mediul în care operează este camera . Acesta exploatează intensitatea luminii reflectată de obiecte pentru a le reconstitui aspectul. Cunoscând parametrii caracteristici ai obiectivului, este posibil să urmăriți de la reprezentarea obiectului în planul imaginii până la dimensiunile sale reale și la distanța sa. Roboții folosesc adesea un sistem cu mai multe camere care le permite să evalueze adâncimea mediului prin stereoscopie.

Implementare

Pe baza următoarei erori între referințe și valorile măsurate ale cantităților de interes ale robotului, controlorul de sistem trebuie să efectueze o acțiune corectivă menită să modifice parametrii curenți ai mișcării structurii. În acest scop va fi necesar să se mărească sau să se reducă puterea furnizată motoarelor care sunt responsabile pentru conversia energiei primite de la sursa de energie în energie mecanică . Există diferite tipuri:

Arhitectura software

Unitatea de control a unui sistem robotizat are sarcina de a gestiona operațiunile care trebuie efectuate pe baza unui model intern al robotului și a datelor furnizate de senzori . Pentru a obține o organizare flexibilă capabilă să separe activitățile la nivel înalt de cele mai elementare, arhitectura de control ar trebui să fie împărțită în niveluri ierarhice. În special, pe treapta superioară se află descompunerea sarcinii care trebuie efectuată în activități cu un grad ridicat de abstractizare, în timp ce la baza piramidei există algoritmi care determină semnalele furnizate motoarelor. Fiecare nivel trimite rezultatul calculului său la nivelul de bază, prin care este influențat retroactiv.

Programare

Există trei abordări principale pentru programarea unui robot.

  • Predare prin prezentare: robotul este ghidat de-a lungul unei căi și învață pozițiile atinse datorită senzorilor; după aceea, doar reproduce acea succesiune de poziții;
  • Orientat spre robot: există un limbaj de programare la nivel înalt cu structuri de date complexe, variabile, rutine ;
  • Orientat pe obiecte: la fel ca în precedent, numai limbajul este orientat pe obiecte .

Notă

  1. ^ Arduino , p. 562 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 47312 · LCCN (EN) sh85114628 · GND (DE) 4261462-4 · BNF (FR) cb11983019n (dată) · BNE (ES) XX550609 (dată)
Inginerie Portal de inginerie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de inginerie