Da quando sono stati inventati i robot, gli uomini hanno cercato di renderli il più possibile simili a loro stessi. Essere umani significa percepire il mondo che ci circonda in un certo modo, ma il nostro software contiene codici difficili da violare. Imitare la percezione umana con l'elettronica è diventato uno dei compiti più impegnativi. Oggi è anche uno dei principali ostacoli alla creazione di sistemi di intelligenza artificiale e allo sviluppo di interfacce uomo-macchina. Si vuole sempre più versatilità dai robot.
Robot di rilevamento - robot di seconda generazione
Le prime generazioni di robot utilizzati nella produzione non avevano i mezzi tecnici per ricevere informazioni sull'ambiente. Erano privi di vista e di intelligenza. Pertanto, qualsiasi oggetto o persona che si trovasse sulla loro strada poteva essere vittima di una collisione o di un impatto robotico programmato automaticamente. Oppure la macchina intelligente stessa poteva essere vittima di tale interazione.
I robot di prima generazione non sono in grado di operare con oggetti sconosciuti, posizionati arbitrariamente e non orientati, e richiedono dispositivi aggiuntivi per la particolare organizzazione dell'area di lavoro. Tutto ciò rende l'automazione più complicata e costosa e meno flessibile. È possibile evitare queste spiacevoli conseguenze delle limitazioni sensoriali e intellettuali dei robot di prima generazione ampliando notevolmente la gamma e la natura dei sensori di misurazione delle informazioni e dei programmi di controllo. È così che sono nati i robot di seconda generazione, i robot senzienti.
Questi robot si distinguono da quelli di prima generazione per un assortimento essenzialmente più ampio di organi sensoriali artificiali. Innanzitutto, si tratta di sensori tattili, visivi, sonori e di altri sensori. Gli organi di senso dei robot di seconda generazione servono a immettere informazioni sulle condizioni del robot e dell'ambiente nel sistema di controllo, che non è più limitato a un dispositivo di memoria e programmazione, come nei robot di prima generazione, ma richiede un computer di controllo per la sua implementazione. È proprio il rilevamento combinato con un software sufficientemente perfetto e diversificato del computer di controllo che consente ai robot di seconda generazione di lavorare con oggetti non orientati di forma arbitraria, di assemblare e montare strutture secondo il disegno, di interagire con l'ambiente esterno, di eseguire la sequenza di operazioni richiesta (programmata) in un clima mutevole. Il rilevamento dei robot è quindi un prerequisito necessario per aumentarne la funzionalità.
Il sistema di misurazione delle informazioni dei robot senzienti, cioè il loro sistema di organi sensoriali, è costituito da sensori di informazioni esterne e interne. La correlazione tra i sensori di informazione e la loro interazione in questi robot differisce in modo significativo dai robot software. È importante notare che per i robot senzienti, un ruolo significativo è svolto dai sensori di informazioni esterne per la percezione, l'analisi, il riconoscimento e il controllo delle condizioni ambientali. In particolare, i sensori utilizzati nei robot di prima generazione possono essere utilizzati come sensori di informazione interni.
Requisiti e caratteristiche principali dei sensori di informazione esterni
A seconda dello scopo di un robot senziente, i suoi sensori di informazioni esterne devono simulare il tatto, la vista, l'udito, ecc. Inoltre, esistono sensori per la misurazione di radioattività, pressione, umidità, temperatura e altre grandezze fisiche. Questi sensori devono avere un'elevata precisione, affidabilità, velocità, dimensioni, peso e costi ridotti.
Vale la pena di notare che oggi vengono creati sensori e gadget che sono molte volte più sensibili dei nostri sensi. Una fotocellula vede gran parte dello spettro meglio dell'occhio e un microfono sente meglio dell'orecchio umano. Un sismografo è più sensibile del nostro senso del tatto, e la sensazione di temperatura non è ovviamente pari a quella di un termometro.
E solo un senso, l'olfatto, cioè l'individuazione e la determinazione di piccole quantità di impurità di materia organica nell'uomo e negli animali, è più completo degli strumenti esistenti. A questo proposito, vale la pena sottolineare che gli organi olfattivi sono tra i sensi più complicati, con la natura del fenomeno su cui operano ancora sconosciuta. Pertanto, "raggiungere l'olfatto del cane" è uno dei problemi attuali del rilevamento robotico.
L'esperienza nello studio degli organi di senso umani e animali contiene molte informazioni che possono essere utilizzate come prerequisiti per lo sviluppo di organi di senso artificiali. Nei sistemi viventi, tutti gli organi di senso sono dotati di propri organi di movimento, a loro volta ricchi di recettori cinestesici. Durante la percezione, un ruolo essenziale spetta sia ai singoli recettori sia ai campi recettivi e ai rilevatori locali, che permettono di distinguere alcune caratteristiche elementari degli oggetti. Nell'analisi dell'ambiente e dello stato interno, l'elaborazione congiunta e coordinata di segnali sensoriali di diverso tipo svolge un ruolo importante, tenendo conto delle azioni compiute.
L'interazione umana con l'ambiente esterno si basa principalmente sull'elaborazione di informazioni visive, sonore e tattili-cinestetiche. Ci sono anche situazioni in cui solo le sensazioni tattili e cinestesiche possono dare informazioni corrette sulle caratteristiche dell'ambiente. Queste situazioni si verificano, ad esempio, quando è necessario effettuare micromovimenti delle dita per determinare la forma e la qualità della superficie degli oggetti circostanti e nei casi in cui vi sono ostacoli al controllo visivo.
I principali tipi di "sensi artificiali" - i sensori
Sensori tattili e cinestesici
La creazione di sensori con sensibilità tattile e cinestesica era necessaria per risolvere diverse sfide legate alla ricerca di oggetti, alla loro presa e al loro spostamento. Il sensore di contatto è il tipo più elementare di sensore di questo tipo. Si tratta di piccoli interruttori che rilevano il contatto con un oggetto.
I sensori tattili rispondono al tatto e rilevano la pressione nel punto in cui il sensore entra in contatto con un oggetto. Sono spesso collegati ai paraurti dei robot di trasporto o alle impugnature dei robot di manipolazione. Questi sensori sono utilizzati per rilevare singoli oggetti, prevenire danni agli stessi e al robot e riconoscere l'ambiente esterno toccando e palpando.
I sensori cinestetici registrano la posizione e il movimento degli attuatori (ad esempio, le dita della presa di un manipolatore) e le forze in essi contenute.
Una caratteristica essenziale dei sensori tattili e cinestesici è quella di funzionare in quasi tutti gli ambienti. In particolare, questi sensori sono indispensabili per i robot subacquei, perché il canale di feedback televisivo o ottico smette di funzionare quando l'acqua è torbida.
Sensori visivi
Per la percezione intuitiva e l'analisi di scene tridimensionali sono necessarie apparecchiature speciali che, in sostanza, devono imitare il lavoro funzionale dell'occhio. Deve fornire soluzioni a problemi quali la ricerca attiva di oggetti cambiando l'orientamento del sensore visivo, la messa a fuoco automatica dell'immagine, la misurazione della distanza dagli oggetti, la regolazione della sensibilità del sensore in base alle variazioni delle condizioni di illuminazione, l'evidenziazione delle caratteristiche dell'immagine (colore, texture, contorni, dimensioni, forma, ecc.).
Nel rilevamento visivo dei robot, le fonti di informazione sono costituite da sensori televisivi e ottici. Un sensore televisivo ("occhio televisivo") è una telecamera. L'intera immagine o un frammento viene registrato in memoria come una proiezione a matrice bidimensionale di una scena reale tridimensionale. Tuttavia, l'immagine televisiva è piatta, a differenza degli oggetti stessi, che hanno tre dimensioni. Questo priva l'uomo e il robot della percezione tridimensionale e del relativo "effetto presenza". Pertanto, di grande importanza per la percezione dei robot sono i mezzi dell'olografia, che consentono di registrare e ricostruire non la dimensione bidimensionale ma l'onda luminosa emanata da un oggetto, con tutti i suoi dettagli. I robot utilizzano fotocellule, fotodiodi, filtri di luce, guide di luce e altri elementi insieme alle sorgenti luminose per determinare il colore degli oggetti.
Lo svantaggio principale dei sensori visivi è la loro inadeguatezza in assenza di sorgenti luminose o in condizioni di dispersione o assorbimento della luce solida, come ad esempio sott'acqua o nello spazio.
Sensori acustici
I sensori sonori comprendono tutti i tipi di microfoni e sensori a ultrasuoni. I microfoni sono utilizzati per captare i comandi corretti quando si controlla un robot a voce. I sensori a ultrasuoni sono costituiti da un trasmettitore e da un ricevitore di segnale. Possono utilizzare il segnale ultrasonico riflesso dagli oggetti per rilevarli e determinarne la distanza.
Rispetto ai sensori ottici, i sensori a ultrasuoni presentano i seguenti vantaggi: sono in grado di rilevare oggetti trasparenti; le loro letture non dipendono dalle condizioni di illuminazione e sono molto insensibili ai cambiamenti delle proprietà fisiche dell'ambiente (polvere, vapore, mezzi liquidi); la durata dei generatori di oscillazione è quasi illimitata, ecc. Tuttavia, a causa della sfocata direzionalità delle vibrazioni ultrasoniche, l'accuratezza della determinazione delle distanze dagli oggetti in questi sensori è bassa. Inoltre, non sono in grado di rilevare oggetti di dimensioni minime a causa della lunghezza relativamente elevata delle onde ultrasoniche.
Come i sensi umani differiscono dai sistemi sensoriali dei moderni robot
In un certo senso, i robot cercano di copiare i sentimenti che provano gli esseri umani o gli animali. Ma spesso i robot dispongono di sistemi molto più avanzati. Ad esempio, l'apparato vestibolare umano registra i cambiamenti di posizione del corpo o della testa. Nessun organo, tuttavia, è in grado di dirci per quanti minuti angolari il nostro ginocchio o il nostro gomito sono piegati o quanto un oggetto è lontano da noi al micron più vicino. Gli esseri umani non ne hanno bisogno, ma nell'attuale paradigma di sviluppo della robotica, queste informazioni possono aiutare le macchine intelligenti.
I robot possono essere divisi in due tipi: locomozione e manipolazione. Il primo tipo di robot ha come compito principale quello di spostare un carico utile o una persona su distanze significative, come fanno i droni, le auto senza pilota o le imbarcazioni. In questa situazione, il compito principale dei sensori è quello di rilevare la posizione del robot nello spazio e il suo posizionamento rispetto agli oggetti vicini. Possiamo anche aggiungere sensori di accelerazione lineare e angolare, che forniscono un senso di equilibrio, cioè di orientamento nel campo gravitazionale.
Il compito dei robot di manipolazione, che dovrebbero imitare funzionalmente le mani, è quello di eseguire varie operazioni con gli oggetti. È qui che entra in gioco il rilevamento cinestesico, che fornisce un senso di posizione, movimento e forza. In altre parole, abbiamo bisogno di sensori in grado di determinare la configurazione attuale e la velocità delle singole parti del robot, nonché di sensori tattili e di pressione. Questi ultimi sono particolarmente richiesti per garantire una presa affidabile degli oggetti manipolati, nonché per controllare le forze di interazione con le cose, l'ambiente e gli esseri umani, al fine, ad esempio, di eseguire un'operazione di contatto di qualità e di non danneggiare il robot o ferire una persona che si trova nelle vicinanze o a diretto contatto.
Naturalmente, per tutti i robot sopra elencati è possibile utilizzare un numero considerevole di sensori ausiliari "di servizio", che dipende dall'applicazione specifica. Alcuni di essi forniscono informazioni sullo stato interno del sistema, mentre altri forniscono informazioni sull'ambiente. Vale la pena sottolineare che i sensori per le interazioni uomo-robot sono fondamentali in questo contesto.
Tendenze della sensoristica robotica
Una delle tendenze attuali nel campo del rilevamento dei robot è lo sviluppo di sensori tattili. I progressi si stanno orientando verso la creazione di robot in grado di lavorare in modo efficiente e sicuro in un ambiente dinamico e non strutturato. È impossibile mettere tutto rigorosamente a posto una volta per tutte e a stretto contatto con gli esseri umani.
A questo proposito, stanno emergendo sempre più nuovi tipi di misuratori. Ad esempio, si stanno sviluppando e testando sensori distribuiti chiamati pelle artificiale. La direzione dell'aptica - il controllo del ritorno di forza - è in forte crescita negli Stati Uniti, in Svizzera, in Germania, in Corea, in Cina e in Giappone, dove grandi laboratori lavorano in questo settore.
The concept of integrated functional design, or co-design, of all robot components, is also evolving in the design of robotic systems, where the design, sensors, power supplies, computing platforms, algorithmic and software are developed simultaneously, based on the final functionality of the system as a whole.
Grazie allo sviluppo della robotica personale, i sensori per l'interazione umana multimodale, compresi, ad esempio, i sensori combinati per la lettura simultanea di informazioni audio e visive per l'ulteriore elaborazione del linguaggio naturale (natural language processing), dovrebbero diventare sempre più diffusi.
Robot sensoriali: cosa può fare una macchina con vista e udito
Alcune macchine intelligenti sono dotate di analizzatori di gas e liquidi come analoghi dei nostri organi dell'olfatto e del gusto, con i quali possono rilevare odori e sapori, anche se non nella stessa misura in cui possiamo farlo noi. Per decenni, questi "nasi elettronici" hanno aiutato i funzionari doganali a individuare sostanze pericolose e proibite. I laboratori li usano per analizzare gli alimenti per verificarne la freschezza e le impurità non documentate. Aiutano i medici a diagnosticare le fasi iniziali della gastrite e a rilevare le perdite di gas esplosivo nelle condutture.
A proposito di udito, basti pensare all'assistente vocale Siri per iOS o altri. - Questi sono esempi di "orecchie elettroniche" che percepiscono il vostro discorso e "capiscono" ciò che avete detto. Il riconoscimento del parlato naturale è un compito impegnativo, per cui la creazione di tali sistemi richiede conoscenze provenienti da diversi campi della linguistica, della matematica e dell'informatica.
Come analogo della visione umana (due occhi e quei biomeccanismi formati nel nostro cervello fin dalla nascita), possiamo citare un'intera branca dell'informatica: la computer (o machine) vision. I sistemi di visione computerizzata risolvono tutti i compiti attribuiti alla realtà visibile e talvolta vanno oltre, se parliamo di visione nella gamma degli infrarossi, microscopi elettronici e radiografie. Tali sistemi riconoscono la scrittura a mano e autorizzano l'accesso a sistemi protetti attraverso la retina o l'iride. Consentono di rilevare sottili segni di anomalie sulle radiografie. Consentono l'inserimento di dati attraverso il tracciamento dei movimenti oculari per le persone con disabilità.
Supponiamo che esistano diverse immagini di un oggetto scattate con alcuni parametri diversi. In questo caso, possono essere l'angolo di rotazione, l'illuminazione o altro; il compito dei sistemi di intelligenza artificiale è quello di ricostruire una scena tridimensionale, un modello dell'oggetto ripreso. È il tipo di compito che svolgiamo ogni giorno. Per esempio, guardiamo da qualche parte e stimiamo la distanza degli oggetti e la loro forma e notiamo le parti sporgenti. È ciò che fa il nostro cervello in background.
I moderni algoritmi di visione computerizzata sono abbastanza veloci da ottenere dati tridimensionali da immagini, anche provenienti da due telecamere, in frazioni di secondo. In questo caso, possiamo parlare di algoritmi di imaging stereo in tempo reale. Un robot di questo tipo, dotato di una o più telecamere, può dirigersi in tempo reale in uno spazio sconosciuto, costruire un modello di questo spazio e inviarlo a un umano.
L'applicazione pratica di questi sistemi sembra ovvia. Supponiamo che questo robot sia un batiscafo, un quadcopter, una piattaforma su ruote o un apparecchio per camminare. In questo caso, può essere inviato in un luogo difficile da raggiungere, come un'area contaminata da radiazioni, persino la Luna o il fondo dell'oceano, e costruirà un modello dell'ambiente e troverà la sua strada senza l'intervento umano..
Anche i medici usano gli occhi del computer per analizzare le immagini mediche, gli entomologi per identificare diversi tipi di artropodi e persino i chimici usano la computer vision per registrare i risultati degli esperimenti.
Ad esempio, i dentisti possono utilizzare una speciale fotocamera per fotografare i denti scheggiati da diversi lati e costruire un modello tridimensionale del dente scheggiato. Il paziente può quindi vedere sul monitor un modello di questa rottura e un modello del dente naturale. Il programma è in grado di combinarli, uno speciale algoritmo sottrae i volumi e viene prodotto un modello tridimensionale per la fabbricazione. Il modello può essere stampato come file, la macchina realizza la parte mancante del dente, che si adatta perfettamente alla posizione prevista.
Esiste anche un esempio di applicazione diagnostica. Se un medico dispone di fette di risonanza magnetica del cervello o di altri organi, può ricavarne un'immagine tridimensionale che chiarisce il volume di un particolare processo negli organi del paziente e la sua diffusione.
Attualmente, le tecnologie di ricostruzione tridimensionale sono spesso utilizzate per la navigazione e la cartografia. Esistono moduli autonomi, tra cui le automobili, dotati di numerosi sensori, tra cui radar, lidar, sonar e telecamere. Il compito di tutti questi dispositivi è quello di ottenere un quadro completo di ciò che circonda l'auto. Con il loro aiuto, il veicolo può eseguire il parcheggio e il movimento automatico lungo le linee della segnaletica. Queste tecnologie sono già state implementate e utilizzate nella guida automatizzata o nella guida autonoma (nelle auto senza conducente). Se si sale in aria, i sistemi di visione artificiale risolvono i problemi della mappatura aerospaziale. Sulla base di principi simili, utilizzando immagini nelle gamme del visibile, dell'infrarosso e dell'ultravioletto, i sistemi di visione computerizzata catturano la topografia terrestre, sulla quale volano i satelliti.
La scansione non distruttiva ad alta precisione è stata utilizzata nella cinematografia, nell'animazione al computer e nelle applicazioni mediche. La creazione di modelli degli oggetti più realistici - volti di persone, animali, ecc. - è quasi impossibile senza tecnologie di ricostruzione rapida. Gli strumenti di trasferimento ad alta precisione di oggetti naturali in scene virtuali si basano su algoritmi con illuminazione strutturata.
Alcune aziende sono specializzate in tecnologie per la cinematografia e l'animazione. Le loro soluzioni consentono a un proiettore e a una telecamera ad alta risoluzione di scansionare i volti umani. I modelli risultanti permetteranno di creare personaggi realistici per l'animazione e di sostituire gli attori reali nel cinema. Altre aziende sono specializzate nella creazione di ologrammi interattivi di oggetti macroscopici (quartieri, centrali elettriche, centri commerciali) - anche loro devono ricorrere alla computer vision per prendere le dimensioni delle cose esistenti.
Pertanto, i robot di oggi sono più "umani" che mai. Alcuni prevedono che presto i robot saranno in grado di percepire tutto ciò che li circonda. Ma le macchine hanno ancora molta strada da fare. Di conseguenza, dovrebbe migliorare la loro "autonomia comportamentale", rendendo più facile per i robot interagire con gli esseri umani e risolvere i compiti quotidiani e i conflitti che sorgono nel processo.