Desde que os robôs foram inventados, os humanos têm tentado torná-los o mais parecidos possível com eles mesmos. Ser humano significa perceber o mundo ao nosso redor de uma certa maneira, mas nosso software contém códigos que são difíceis de serem quebrados. Imitar a percepção humana com a eletrônica se tornou uma das tarefas mais desafiadoras. Hoje, ele também é um grande obstáculo na criação de sistemas de inteligência artificial e no desenvolvimento de interfaces homem-máquina. Eles querem cada vez mais a versatilidade dos robôs.
Robôs sensores - robôs de segunda geração
As primeiras gerações criadas de robôs usados na fabricação não tinham os meios técnicos para receber informações sobre o meio ambiente. Eles eram desprovidos de visão e inteligência. Portanto, qualquer objeto ou pessoa que se atravessasse em seu caminho poderia se tornar vítima de uma colisão ou de um impacto programado automaticamente por um robô. Ou a própria máquina inteligente poderia sofrer com tal interação..
Os robôs de primeira geração não são capazes de operar com objetos desconhecidos arbitrariamente localizados e não orientados e requerem dispositivos adicionais para a organização particular da área de trabalho. Tudo isso torna a automação mais complicada e cara, e menos flexível. É possível evitar essas consequências desagradáveis das limitações sensoriais e intelectuais dos robôs de primeira geração, expandindo significativamente o alcance e a natureza dos sensores de medição de informações e programas de controle. Foi assim que surgiram os robôs de segunda geração - robôs sencientes.
Estes robôs diferem dos robôs de primeira geração por uma variedade essencialmente mais extensa de órgãos sensoriais artificiais. Antes de mais nada, estes são sensores táteis, visuais, sonoros e alguns outros sensoriais. Robôs de segunda geração' os órgãos sensoriais servem como uma peça de informação de entrada sobre as condições do robô e do ambiente no sistema de controle, que não está mais limitado a um dispositivo de memória e programação, como nos robôs de primeira geração, mas requer um computador de controle para sua implementação. É precisamente o sensoriamento combinado com um software suficientemente perfeito e diversificado do computador controlador que permite aos robôs de segunda geração trabalhar com objetos não orientados de forma arbitrária, montar e montar estruturas de acordo com o desenho, interagir com o ambiente externo, executar a seqüência de operações necessária (programada) em um clima de mudança. Assim, a detecção de robôs é um pré-requisito necessário para aumentar sua funcionalidade.
Sistema de medição de informações de robôs sensíveis, ou seja, seu sistema de órgãos sensoriais, consiste em sensores sensoriais de informações externas e internas. A correlação entre os sensores de informação e sua interação nesses robôs difere significativamente dos robôs de software. É importante notar que para os robôs sensíveis, um papel significativo é desempenhado pelos sensores de informação externa para percepção, análise, reconhecimento e controle das condições ambientais. Em particular, os sensores usados em robôs de primeira geração podem ser usados como sensores de informação internos.
Requisitos e principais características dos sensores de informação externa
Dependendo da finalidade de um robô sensível, seus sensores de informação externa devem simular o tato, visão, audição, etc. Além disso, existem sensores para medir a radioatividade, pressão, umidade, temperatura e outras grandezas físicas. Estes sensores devem ter alta precisão, confiabilidade, velocidade, tamanho pequeno, peso e custo.
Vale notar que sensores e dispositivos que são muitas vezes mais sensíveis do que nossos sentidos estão sendo criados agora. Uma fotocélula vê muito melhor do que o olho, e um microfone ouve melhor do que o ouvido humano. Um sismógrafo é mais sensível do que nosso senso de toque, e a sensação de temperatura não é tão boa quanto um termômetro, é claro.
E apenas um sentido, o olfato, ou seja, a detecção e determinação de pequenas quantidades de impurezas de matéria orgânica em humanos e animais, é melhor completo do que os instrumentos existentes. A este respeito, vale ressaltar que os órgãos olfativos estão entre os sentidos mais complicados, com a natureza do fenômeno sobre o qual operam ainda desconhecidos. Por isso, " alcançar o olfato's senso de olfato" é um dos problemas atuais da detecção por robôs.
A experiência no estudo de órgãos sensoriais humanos e animais contém muitas informações que podem ser usadas como pré-requisitos para o desenvolvimento de órgãos sensoriais artificiais. Nos sistemas vivos, todos os órgãos dos sentidos são equipados com seus próprios órgãos de movimento, os quais, por sua vez, são ricamente fornecidos com receptores cinestésicos. Durante a percepção, um papel essencial pertence tanto aos receptores individuais quanto aos campos receptivos e detectores locais, tornando possível distinguir certas características elementares dos objetos. Ao analisar o ambiente e o estado interno, o processamento coordenado conjunto de sinais sensoriais de diferentes tipos desempenha um papel importante, levando em conta as ações realizadas.
A interação humana com o ambiente externo é baseada principalmente no processamento de informações visuais, sonoras e táteis e cinestésicas. Há também situações em que apenas as sensações táteis e cinestésicas podem dar informações corretas sobre as características do ambiente. Estas situações surgem, por exemplo, quando é necessário fazer micro-movimentos dos dedos para determinar a forma e a qualidade da superfície dos objetos ao redor e casos em que existem obstáculos ao controle visual.
Os principais tipos de " sentidos artificiais" – sensores
Sensores táteis e cinestésicos
A criação de sensores com sensibilidade tátil e cinestésica foi necessária para resolver vários desafios envolvidos na busca de itens, agarrando-os e movendo-os. Um sensor de contato é o tipo mais básico de tal sensor. Eles&##39;são pequenos interruptores que detectam quando um objeto entra em contato com eles.
Os sensores táteis respondem ao toque e detectam a pressão onde o sensor se junta (contatos) a um objeto. Eles' são freqüentemente acoplados a robôs de transporte' parachoques ou robôs de manipulação' pegas. Estes sensores são usados para detectar objetos individuais, evitar danos a eles e ao próprio robô, e reconhecer o ambiente externo tocando e tateando.
Os sensores cinestésicos registram a posição e o movimento dos atuadores (por exemplo, os dedos de um manipulador's grip) e as forças neles presentes.
Uma característica essencial dos sensores táteis e cinestésicos está funcionando em quase todos os ambientes. Em particular, estes sensores são indispensáveis para robôs submarinos porque a televisão ou o canal de feedback óptico deixa de funcionar quando a água está turva.
Sensores visuais
Para a percepção intuitiva e análise de cenas tridimensionais, é necessário equipamento especial, que em essência deve imitar o trabalho funcional do olho. Ele deve fornecer soluções para tais problemas como busca ativa de objetos alterando a orientação do sensor visual, focalização automática da imagem, medição da distância aos objetos, ajuste da sensibilidade do sensor em função das mudanças nas condições de iluminação, destaque das características da imagem (cor, textura, contornos, tamanho, forma, etc.).
Na detecção visual por robô, a televisão e os sensores ópticos são as fontes de informação. Um sensor de televisão ("television eye") é uma câmera de televisão. A imagem inteira ou um fragmento é gravado na memória como uma projeção matricial bidimensional de uma cena tridimensional real. Entretanto, a imagem da televisão é plana, ao contrário dos objetos em si, com três dimensões. Ela priva o homem e o robô da percepção tridimensional e do "efeito presença." portanto, de grande importância para os robôs' a percepção é o meio de holografia, que permite gravar e reconstruir não a dimensão bidimensional, mas a onda de luz que emana de um objeto, com todos os seus detalhes. Os robôs utilizam fotocélulas, fotodiodos, filtros de luz, guias de luz e outros elementos junto com fontes de luz para determinar a cor dos objetos.
A principal desvantagem dos sensores visuais é sua inadequação na ausência de fontes de luz ou condições com dispersão ou absorção de luz sólida, tais como debaixo d'água ou no espaço exterior.
Sensores de som
Os sensores de som incluem todos os tipos de microfones e sensores ultra-sônicos. Os microfones são usados para captar comandos apropriados ao controlar um robô por voz. Os sensores ultra-sônicos consistem de um transmissor de sinal e um receptor de sinal. Eles podem usar o sinal ultra-sônico refletido dos objetos para detectá-los e determinar sua distância.
Em comparação com os sensores ópticos, os sensores ultra-sônicos têm as seguintes vantagens: podem detectar objetos transparentes; suas leituras não dependem das condições de iluminação e são muito insensíveis a mudanças nas propriedades físicas do ambiente (poeira, vapor, meio líquido); a vida útil dos geradores de oscilação é quase ilimitada, etc. Entretanto, devido à direcionalidade difusa das vibrações ultra-sônicas, a precisão na determinação das distâncias a objetos em tais sensores é baixa. Além disso, eles não podem detectar objetos com dimensões minúsculas devido ao comprimento relativamente longo das ondas ultra-sônicas.
Como os sentidos humanos diferem dos sistemas sensoriais dos robôs modernos
Em certo sentido, os robôs estão tentando copiar os sentimentos que os humanos ou os animais têm. Mas os robôs muitas vezes têm sistemas muito mais avançados. Por exemplo, o aparelho vestibular humano registra mudanças na posição do corpo ou da cabeça. Nenhum órgão, entretanto, pode nos dizer quantos minutos angulares nosso joelho ou cotovelo está dobrado ou a que distância um item está de nós para o mícron mais próximo. Os humanos não'não precisam disto, mas no atual paradigma de desenvolvimento da robótica, estas informações podem ajudar máquinas inteligentes.
Os robôs podem ser divididos em dois tipos: locomoção e manipulação. A principal tarefa do primeiro's é mover uma carga útil, ou uma pessoa ao longo de distâncias significativas, como os zangões, carros não tripulados, ou barcos. Nesta situação, a principal tarefa dos sensores é detectar a posição do robô's no espaço, assim como sua colocação em relação a objetos próximos. Podemos também adicionar sensores de aceleração linear e angular, que proporcionam uma sensação de equilíbrio, ou seja, orientação no campo gravitacional.
A tarefa dos robôs de manipulação, que deveriam imitar funcionalmente as mãos, é realizar várias operações com objetos. É onde o sensoriamento cinestésico vem à tona, o que proporciona um senso de posição, movimento e força. Em outras palavras, precisamos de sensores que possam determinar a configuração atual e as velocidades das partes individuais do robô, assim como sensores táteis e de pressão. Estes últimos são especialmente solicitados para garantir uma apreensão confiável dos objetos manipulados, bem como para controlar as forças de interação com as coisas, o ambiente e os seres humanos, a fim de, por exemplo, realizar uma operação de contato de qualidade e para não danificar o robô ou ferir uma pessoa que esteja próxima ou em contato direto.
Naturalmente, para todos os robôs listados acima, um número considerável de auxiliares "serviço" sensores podem ser usados, o que depende da aplicação específica. Alguns deles fornecem informações sobre o estado interno do sistema's, e alguns dão informações sobre o ambiente. Neste contexto, é crucial destacar os sensores para as interações homem-robô.
Tendências em sensores de robôs
Uma das tendências atuais na detecção por robô é o desenvolvimento de sensores táteis. O progresso está caminhando para a criação de robôs que possam trabalhar de forma eficiente e segura em um ambiente dinâmico e não estruturado. É impossível colocar tudo rigorosamente no lugar de uma vez por todas e um contato próximo com os seres humanos.
A este respeito, cada vez mais novos tipos de medidores estão surgindo. Por exemplo, sensores distribuídos chamados de pele artificial estão sendo desenvolvidos e testados. A direção da háptica - controle do feedback da força - está crescendo poderosamente nos EUA, Suíça, Alemanha, Coréia, China e Japão, onde grandes laboratórios estão trabalhando nesta área.
O conceito de projeto funcional integrado, ou co-desenho, de todos os componentes do robô, também está evoluindo no projeto de sistemas robóticos, onde o projeto, sensores, fontes de alimentação, plataformas de computação, algoritmos e software são desenvolvidos simultaneamente, com base na funcionalidade final do sistema como um todo.
Devido ao desenvolvimento da robótica pessoal, os sensores para interação humana multimodal, incluindo, por exemplo, sensores combinados para leitura simultânea de informações de áudio e visuais para processamento posterior da linguagem natural (processamento de linguagem natural), devem se tornar mais amplamente utilizados.
Robôs sensores: o que uma máquina com visão e audição pode fazer
Algumas máquinas inteligentes têm analisadores de gases e líquidos como um análogo de nossos órgãos de cheiro e gosto, com os quais eles podem detectar cheiros e gostos, mesmo que não na mesma medida que nós. Durante décadas, tais " narizes eletrônicos" têm ajudado os funcionários aduaneiros a ver substâncias perigosas e proibidas. Os laboratórios os utilizam para analisar alimentos em busca de frescor e impurezas indocumentadas. Eles ajudam os médicos a diagnosticar a gastrite's estágios iniciais e detectar vazamentos de gases explosivos em gasodutos.
Falando em audição, como exemplo, os assistentes de voz Siri para iOS ou outros. - Estes são exemplos de "ouvidos eletrônicos" que percebem sua fala e "entender" o que você disse. O reconhecimento da fala natural é uma tarefa desafiadora, portanto, criar tais sistemas envolve conhecimentos de diferentes campos da lingüística, matemática e ciência da computação.
Como um análogo da visão humana (dois olhos e aqueles biomecanismos formados em nosso cérebro desde o nascimento), podemos citar um ramo inteiro da informática - a visão por computador (ou máquina). Os sistemas de visão por computador resolvem todas as tarefas atribuídas à realidade visível e às vezes vão além dela se falamos de visão na faixa infravermelha, microscópios eletrônicos e radiografias. Tais sistemas reconhecem a entrada da caligrafia e autorizam o acesso a sistemas protegidos através da retina ou da íris. Permitem sinais sutis de anormalidades nas radiografias. Fornecem entrada de dados via rastreamento de movimento dos olhos para pessoas com deficiências.
Suponha que haja várias imagens de um objeto tiradas com alguns parâmetros diferentes. Nesse caso, pode ser o ângulo de rotação, a iluminação, ou algo mais; a tarefa dos sistemas de IA é reconstruir uma cena tridimensional, um modelo do objeto tomado. É o tipo de tarefa que fazemos todos os dias. Por exemplo, olhamos para algum lugar e estimamos a distância das coisas e sua forma e notamos peças salientes. É o que nosso cérebro faz em segundo plano.
Os modernos algoritmos de visão por computador são suficientemente rápidos para obter dados tridimensionais a partir de imagens, mesmo de duas câmeras, frações de um segundo. Neste caso, podemos falar de algoritmos de imagem estéreo em tempo real. Tal robô equipado com uma câmera ou câmeras pode se encaminhar em tempo real em algum espaço desconhecido e construir um modelo deste espaço e enviá-lo a um humano.
A aplicação prática de tais sistemas parece óbvia. Suponhamos que este robô seja um bathyscaphe, um quadricóptero, uma plataforma com rodas ou um aparelho de caminhada. Nesse caso, ele pode ser enviado para um local de difícil acesso, como uma área contaminada por radiação, até mesmo a Lua ou o fundo do mar, e ele construirá um modelo do ambiente e encontrará seu caminho sem a intervenção humana.
Os médicos também usam olhos de computador para analisar imagens médicas, entomologistas para identificar diferentes tipos de artrópodes, e até mesmo os químicos usam a visão por computador para registrar os resultados dos experimentos.
Por exemplo, os dentistas podem usar uma câmera especial para tirar fotos de dentes lascados de diferentes lados e construir um modelo tridimensional do dente lascado. O paciente pode então ver um modelo desta quebra e um modelo do dente natural no monitor. O programa pode combiná-los, um algoritmo especial subtrai os volumes, e um modelo tridimensional é produzido para a fabricação. Este modelo pode ser impresso como um arquivo, a máquina faz a parte que falta do dente, e se encaixa perfeitamente em seu local pretendido.
Há também um exemplo de uma aplicação de diagnóstico. Se um médico tiver cortes de ressonância magnética do cérebro ou outros órgãos, pode-se obter uma imagem tridimensional dos mesmos, que deixará claro qual é o volume de um determinado processo no paciente's órgãos e o quão difundido ele está.
No momento, as tecnologias de reconstrução tridimensional são freqüentemente utilizadas para navegação e cartografia. Existem módulos autônomos, incluindo carros, equipados com muitos sensores, incluindo radares, lidares, sonares e câmeras. A tarefa de todos estes dispositivos é obter uma imagem completa do que está ao redor do carro. Com sua ajuda, o veículo pode realizar o estacionamento e o movimento automático de acordo com as marcas. Estas tecnologias já estão sendo implementadas e utilizadas tanto na direção automatizada quanto na direção autônoma (em carros sem motorista). Se você for mais alto no ar, seus sistemas de visão por computador resolvem os problemas de mapeamento aeroespacial. Em princípios similares, usando imagens nas faixas visível, infravermelha e ultravioleta, os sistemas computadorizados de visão capturam a topografia da Terra's, sobre a qual os satélites voam.
A digitalização não destrutiva de alta precisão foi encontrada em cinematografia, animação computadorizada e aplicações médicas. Criação de modelos dos objetos mais realistas - rostos de pessoas, animais, etc. - é quase impossível sem tecnologias de reconstrução rápida. Ferramentas de transferência de alta precisão de coisas naturais para cenas virtuais são baseadas em algoritmos com iluminação estruturada.
Algumas empresas são especializadas em tecnologias para cinematografia e animação. Suas soluções permitem um projetor e uma câmera de alta resolução para escanear rostos humanos. Os modelos resultantes permitirão a criação de personagens realistas para animação e substituir atores reais no cinema. Outras empresas se especializam na criação de hologramas interativos de objetos macroscópicos (bairros, centrais elétricas, centros de negócios) - elas também têm que recorrer à visão por computador para tomar as dimensões das coisas existentes.
Assim, os robôs hoje em dia são mais " humanos" do que nunca. Alguns predizem que os robôs serão capazes de sentir tudo ao seu redor muito em breve. Mas as máquinas ainda têm um longo caminho a percorrer. Como resultado, elas devem melhorar sua "autonomia comportamental," facilitando a interação dos robôs com os humanos e a resolução de tarefas e conflitos cotidianos que surgem no processo.