Робототехника на пальцах

Робототехника на пальцах

Кто такие роботы?

Слово робот происходит от чешского слова «робота», что означает «каторжный труд» или «работа». Сегодня мы используем слово «робот», чтобы обозначить любую искусственную машину, которая может выполнять работу или иные действия, обычно выполняемые людьми, либо автоматически, либо с помощью дистанционного управления.

Что делают роботы?

Представьте себе, если ваша работа состоит в том, чтобы закручивать один винт на тостере. И вы делаете это снова и снова, день за днем, в течение нескольких недель, месяцев или лет. Такая работа лучше подходит роботами, чем людям.

 Большинство роботов сегодня используются для выполнения повторяющихся действий или работ, которые считаются слишком опасными для человека. Например, робот идеально подходит для разминирования бомб.

Обратите внимание

Роботы также используются на заводах, чтобы производить такие вещи, как автомобили, конфеты и электронику. Роботы в настоящее время используются в медицине, в военной технике, для обнаружения объектов под водой, или для исследования других планет и т.д.

Роботизированные технологии помогли людям, потерявшим руки или ноги. Роботы являются отличным помощниками всего человечества.

Зачем использовать роботов?

Причина использования роботов достаточно проста и понятна. Дело в том, что использовать роботов часто бывает дешевле, чем людей. Для роботов проще оборудовать рабочие места, а иногда внедрение роботов является единственным возможным способом решения некоторых задач.

 Роботы могут исследовать изнутри топливные резервуары, вулканы, путешествовать по поверхности Марса или в других местах, слишком опасных для людей. Роботы могут делать одно и то же снова и снова, и им не станет скучно.

 Они могут сверлить стены, варить трубы, красить машины, обращаться с токсичными веществами. А в некоторых ситуациях роботы намного более точны и могут сократить издержки производства из-за человеческих ошибок.

 Роботы никогда не болеют, им не нужно спать, они не нуждаются в пище, обходятся без выходных и, что лучше всего, они никогда не жалуются!

Из чего состоят роботы?

Роботы могут быть сделаны из различных материалов: металл, пластмасса и многое другое. Большинство роботов состоят из 3-х основных частей:

  1. Контроллер или «мозг» робота, работающий с помощью компьютерной программы. Здесь хранятся алгоритмы, с помощью которых робот выполняет различные манипуляции.
  2. Механические части: двигатели, поршни, механизмы захвата, колеса и шестеренки, благодаря которым робот способен двигаться, перемещать предметы, поворачиваться и т.д.
  3. Датчики преобразует полученную информацию в удобную форму для дальнейшей передачи. Датчики позволяют роботу ориентироваться на местности, определить размеры, форму, расстояние между объектами, направление и другие характеристики и свойства веществ. Часто на роботы устанавливают датчики давления, которые могут определять величину давления, необходимую для того, чтобы схватить предмет не повреждая его.

Искусственный интеллект

Изначально искусственный интеллект разрабатывался с целью воссоздания человеческого разума, однако в настоящее время большое количество исследований сфокусировано на так называемом роевом интеллекте – особом типе разума, который проявляется в совместной деятельности насекомых или в работе большого числа простых роботизированных механизмов. Принципы роевого интеллекта могут быть использованы, например, при создании нанороботов.

Изначально искусственный интеллект разрабатывался с целью воссоздания человеческого разума, однако в настоящее время большое количество исследований сфокусировано на так называемом роевом интеллекте – особом типе разума, который проявляется в совместной деятельности насекомых или в работе большого числа простых роботизированных механизмов. Принципы роевого интеллекта могут быть использованы, например, при создании нанороботов.

Ограничения роботов

К сожалению, роботы не могут, как в кино, думать или принимать решения. Роботы – это машины с запрограммированными движениями, которые позволяют им перемещаться в определенных направлениях с заданной последовательностью действий.

ИИ позволяет роботам обрабатывать полученную информацию и даже обучаться.

Но они все еще имеют существенные ограничения, так как способны понимать лишь определенные типы информации, и выполнять лишь ограниченный набор функций, заложенный в них при создании.

робототехника искусственный интеллект

Источник: https://neuronus.com/stat/1081-robototekhnika-na-paltsakh.html

Как устроены роботы?

Мы часто пишем о роботах. Их делают во всем мире. Иногда они совершенно не похожи на людей, иногда наоборот. Тем не менее многие из нас не имеют ни малейшего представления о том, как их делают, из чего, с какими проблемами сталкиваются инженеры и как их преодолеть. В этой статье мы подробно разберем, как устроены роботы и как они работают.

На самом базовом уровне люди состоят из пяти основных компонентов:

  • структура тела;
  • система мышц, которая движет телом;
  • система органов чувств, которая получает информацию о теле и окружающей среде;
  • источник энергии, питающий мышцы и органы чувств;
  • мозговая система, которая обрабатывает информацию от органов чувств и дающая указания мышцам.

Конечно, у нас есть ряд нематериальных атрибутов вроде интеллекта и морали, но на чисто физическом уровне список выше включает это.

Роботы делаются из аналогичных компонентов. Обычный робот обладает подвижной физической структурой, электродвигателем определенного рода, системой сенсоров (датчиков, органов чувств), блоком питания и компьютерным «мозгом», который контролирует все эти элементы. По существу, роботы — это техногенные версии животной жизни. Это машины, которые копируют поведение людей и животных.

Джозеф Энгельбергер, пионер промышленной робототехники, однажды заметил: «Я не могу дать определение роботу, но я точно узнаю его, когда увижу». Если вы задумаетесь обо всех возможных машинах, которые люди называют роботами, вы поймете, что невозможно придумать всеобъемлющее определение. У каждого есть свое представление о том, что представляют собой роботы.

Вам наверняка известны эти роботы:

  • R2D2 и C-3PO: умные говорящие роботы с ярко выраженной индивидуальностью из фильмов серии «Звездные войны»
  • AIBO от Sony: собака-робот, которая обучается в процессе взаимодействия с людьми
  • ASIMO от Honda: робот, который может ходить на двух ногах
  • Промышленные роботы: автоматизированные машины, работающие на сборочных конвейерах
  • Дейта: почти человекоподобный андроид из «Звездного пути»
  • Роботы-саперы
  • Марсоходы NASA
  • HAL: бортовой компьютер из «Космической Одиссеи 2001 года» Стэнли Кубрика
  • MindStorm: популярный роботизированный комплект от LEGO

Все вышеперечисленное можно назвать роботами. Роботом, как правило, называется то, что люди считают роботом. Большинство робототехников (людей, которые делают роботов) использует более точное определение. Они указывают, что роботы обладают перепрограммируемым мозгом (компьютером), который движет тело.

Согласно этому определению, роботы отличаются от других подвижных машин вроде автомобилей, поскольку у них есть компьютерный элемент. У большинства новых автомобилей есть бортовой компьютер, но в него можно внести не так много нового.

Важно

Вы управляете большинством элементов в автомобиле непосредственно при помощи механических устройств разного рода.

Роботы отличаются от обычных компьютеров по своей физической природе — у обычных компьютеров нет физического тела, они могут существовать и без него.

Основы роботов

У подавляющего большинства роботов действительно есть общие черты. Прежде всего, почти у всех роботов есть подвижное тело. Некоторые обладают только моторизованными колесами, у других есть десятки подвижных сегментов, как правило, из металла или пластика. Как кости в вашем теле, отдельные сегменты соединяются вместе с помощью суставов.

Колеса робота и поворотные суставные сегменты активизируются при помощи приводов разного рода. Некоторые роботы используют электродвигатели и соленоиды в качестве актуаторов (приводов); некоторые используют гидравлическую систему; некоторые — пневматическую систему (на основе сжатых газов). Роботы могут использовать все эти типы приводов.

Робот нуждается в источнике питания, чтобы управлять этими приводами. Большинство роботов либо оснащены батареей, либо работают от розетки. Гидравлическим роботам нужен насос для создания давления в гидравлической системе, а пневматическим роботам нужен воздушный компрессор или баллоны со сжатым воздухом.

Все приводы подключаются к электрической цепи. Цепь напрямую питает электродвигатели и соленоиды, что активизирует гидравлическую систему при помощи электрических клапанов. Клапаны направляют сжатую жидкость через машину.

Для перемещения гидравлической ноги, например, оператор робота должен открыть клапан, ведущий от жидкостного насоса к поршневому цилиндру, закрепленному на ноге. Жидкость под давлением будет двигать поршень, толкая ногу вперед.

Чтобы двигать конечностями в обоих направлениях, роботы используют поршни, которые могут толкаться в обе стороны.

Компьютер робота управляет всем, что подключено к цепи. Чтобы передвигать робота, компьютер активирует все необходимые двигатели и клапаны. Большинство роботов можно перепрограммировать, чтобы изменить поведение — достаточно просто ввести новую программу в компьютер.

Не у всех роботов есть система сенсоров, и лишь некоторые обладают способностью видеть, слышать, чувствовать запах или вкус. Самая распространенная способность робота — способность ходить и наблюдать за своим перемещением. Стандартная конструкция использует колеса с щелью в суставах робота.

Совет

Светодиод на одной стороне колеса пускает луч света через щель, чтобы подсветить датчик света на другой стороне колеса. Когда робот движет определенным суставом, колесо с щелью крутится. Щель разбивает луч света по мере вращения колеса. Световой датчик считывает поведение светового луча и передает данные на компьютер.

Компьютер точно может сказать, как вращается сустав в определенной модели. По тому же принципу работает компьютерная мышь.

Это основы робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы в бесконечное число способов создания роботов неограниченной сложности.

Роботизированный манипулятор

Термин «робот» пришел к нам от чешского слова «robota», что означает буквально «принудительный труд». В принципе, это слово отлично описывает большинство роботов. Чаще всего роботы делают тяжелую работу, монотонно трудятся на производстве. Также они решают задачи, которые сложны, опасны или скучны для людей.

Наиболее распространенный вид робота — это роботизированный манипулятор. Типичный манипулятор состоит из семи металлических сегментов, соединенных шестью суставами.

Компьютер управляет роботом, вращая отдельные шаговые двигатели, подключенные к каждому суставу (некоторые крупные манипуляторы используют гидравлику или пневматику). В отличие от обычных двигателей, шаговые двигатели двигаются точными шажками.

Это позволяет роботу перемещать руку очень точно, в точности повторяя одно и то же движение снова и снова. Робот использует датчики движения, чтобы убедиться, что совершает движения правильно.

Промышленный робот с шестью суставами напоминает человеческую руку — у него есть подобия плечу, локтю и запястью. Как правило, плечо установлено на неподвижной базовой структуре, а не на подвижном теле. У такого типа робота есть шесть степеней свободы, то есть он может поворачиваться в шести разных направлениях. Для сравнения, человеческая рука имеет семь степеней свободы.

Задача вашей руки — перемещаться с места на место. Аналогичным образом, задача манипулятора — перемещать концевой эффектор с места на место. Вы можете оснастить манипулятор разными концевыми эффекторами, предназначенными для конкретных задач.

Один из распространенных эффекторов — упрощенная версия руки, которая может хватать и переносить разные объекты. Манипуляторы часто обладают встроенными датчиками давления, которые предписывают компьютеру, с какой силой захватывать конкретный объект. Это позволяет роботу не ломать все, что он хватает.

Обратите внимание

Другие конечные эффекторы включают паяльные лампы, дрели и распылители порошка или краски.

Промышленные роботы предназначены для того, чтобы делать одни и те же вещи, в контролируемой среде, снова и снова. Например, робот может закручивать колпачки на тюбиках с зубной пастой.

Читайте также:  Инновации: у робота телеприсутствия появятся руки

Чтобы научить робота делать это, программист описывает порядок движения, используя ручной контроллер.

Робот записывает последовательность движений в память и делает это снова и снова, когда новый продукт поступает на конвейер.

Большинство промышленных роботов работает на конвейерах, собирая автомобили. Роботы делают это более эффективно, чем люди, поскольку более точны.

Они всегда сверлят в одном и том же месте, затягивают болты с одной и той же силой, независимо от того, сколько часов проработали. Сборочные роботы также важны для компьютерной отрасли.

Весьма сложно точно собрать крошечный микрочип силами человека.

Мобильные роботы

Манипуляторы весьма просто собрать и написать для них программу, поскольку они работают в ограниченном пространстве. Но все становится немного сложнее, если вы отправляете робота в мир.

Первое препятствие заключается в том, чтобы дать роботу рабочую систему передвижения. Если робот будет двигаться только по гладкой земле, колеса или гусеницы будут лучшим вариантом.

Колеса или гусеницы также могут работать на грубой земле, если будут достаточно большими. Но чаще всего робототехники задумываются о ногах, поскольку их легче адаптировать.

Важно

Строительство роботов с ногами также помогает ученым понимать естественное движение — полезное упражнение для биологов.

Как правило, гидравлические или пневматические поршни перемещают ноги робота вперед и назад. Поршни крепятся к разным сегментам ног так же, как мышцы крепятся к разным костям. Но заставить все эти поршни работать должным образом — сложная задача.

Когда вы были ребенком, ваш мозг пытался выяснить, как нужно точно двигать мышцами, чтобы стоять на двух ногах и не падать. Аналогичным образом, конструктор робота должен определить правильную комбинацию поршневых движений, участвующих в ходьбе и запрограммировать эту информацию в компьютер робота.

Многие мобильные роботы оснащены встроенной системой баланса (набором гироскопов, например), которая подсказывает компьютеру, когда нужно исправить движение.

Прямохождение (ходьба на двух ногах) — довольно нестабильно, поэтому ему сложно научить роботов. Чтобы создать стабильного робота-ходока, конструкторы часто наблюдают за миром животных, особенно насекомых. Шестиногие насекомые обладают невероятно хорошим балансом и адаптируются к широкому набору местностей.

Некоторые мобильные роботы управляются дистанционно — человек говорит им, что делать и когда. Дистанционное управление может осуществляться с помощью провода, радио или инфракрасных сигналов.

Роботы с удаленным управлением часто называются кукольными роботами, и они полезны для работы в опасных или труднодоступных условиях — например, в глубокой воде или в жерле вулкана. Некоторые роботы управляются дистанционно лишь отчасти.

Например, оператор может отправить робота в определенное место, а обратно робот уже сам найдет дорогу.

Как видите, роботы чертовски похожи на нас.

Источник: https://Hi-News.ru/robots/kak-ustroeny-roboty.html

Механизированные руки и манипуляторы — рассказываем, чем занимается лаборатория робототехники Университета ИТМО

В Университете ИТМО на базе кафедры систем управления и информатики (СУиИ) открыта лаборатория робототехники.

Расскажем о проектах, над которыми трудятся в её стенах, и покажем инструментарий: промышленных роботов-манипуляторов, робототехнические захватные устройства, а также установку для проведения испытаний систем динамического позиционирования с использованием роботизированной модели надводного судна.

Специализация

Лаборатория робототехники относится к старейшей кафедре Университета ИТМО, которая называется «Системы управления и информатика». Она появилась в 1945 году. Сама лаборатория была запущена в 1955 году — тогда в ней занимались вопросами автоматизации измерений и расчетами параметров надводных судов. Позже спектр направлений был расширен: добавили кибернетику, САПР, а также робототехнику.

Сегодня в лаборатории занимаются совершенствованием промышленных роботов. Сотрудники решают вопросы, связанные со взаимодействием человека и машины — разрабатывают безопасные алгоритмы управления с контролем силы робота, а также работают над коллаборативными роботами, которые могут выполнять задачи бок о бок с людьми.

Также в лаборатории разрабатывают альтернативные методы дистанционного управления группами роботов и создают программные алгоритмы, которые можно перенастраивать на выполнение новых задач в режиме онлайн.

Проекты

Ряд робототехнических систем лаборатории приобретен у крупных компаний и предназначен для исследовательских или промышленных целей. Часть оборудования изготовлена сотрудниками в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Из последних можно выделить робототехническую платформу Стюарта с двумя степенями свободы. Академическая установка предназначена для апробации алгоритмов управления по удержанию шара в центре площадки (на систему в действии можно посмотреть в этом видео).

Робототехнический комплекс состоит из прямоугольной платформы с резистивной сенсорной подложкой, определяющей координаты шара. К ней с помощью шарнирного соединения прикреплены валы приводов. Эти приводы меняют угол наклона платформы согласно управляющим сигналам, поступающим с компьютера через USB, и не дают шару укатиться.

Совет

Комплекс имеет дополнительные сервоприводы, которые отвечают за компенсацию возмущений. Для работы этих приводов сотрудники лаборатории разработали специальные алгоритмы, «сглаживающие» разного рода помехи, например вибрации или ветер.

Кроме того, в парке роботов лаборатории имеется исследовательская установка KUKA youBot, представляющая из себя пятизвенный робот-манипулятор, закрепленный на мобильной платформе со всенаправленными колесами.

На роботе KUKA youBot испытывались алгоритмы адаптивного управления для слежения за подвижной целью. Они используют систему технического зрения на базе цифровой камеры и процедуры обработки видеоизображения. Основу этого проекта составляют исследования в области адаптивного управления нелинейными системами, проводимые сотрудниками лаборатории.

Алгоритмы управления используются для компенсации внешних воздействий, действующих на звенья робота. В результате машина получает возможность удерживать рабочий инструмент в фиксированной точке пространства и устойчиво перемещать его вдоль заданной траектории.

Примером проекта, реализованного на базе робота KUKA youBot, является бездатчиковое силомоментное очувствление.

Совместно с британской компанией TRA Robotics мы разработали алгоритм, позволяющий оценивать силу взаимодействия рабочего инструмента с окружающей средой без дорогостоящих силомоментных датчиков.

Это позволило роботу выполнять более сложные операции, не прибегая к помощи внешних систем.

Другим примером робототехнической установки в лаборатории является ячейка FESTO Robot Vision Cell. Этот комплекс используется для имитации технологических операций на производстве, например сварки. Для реализации такого сценария ставится задача планирования движения: имитационный сварочный инструмент обходит по контуру металлической детали.

Обратите внимание

Кроме того, ячейка оборудована системой технического зрения и способна решать задачи сортировки деталей по цвету или форме.

Проект, выполненный на базе робототехнической ячейки FESTO Robot Vision Cell с промышленным роботом Mitsubishi RV-3SDB, решает задачи планирования движений.

Он помогает упростить процесс взаимодействия оператора с контроллером робота при программировании сложных траекторий. Идея заключается в автоматическом программировании движений инструмента робота с помощью контуров, изображенных на растровом рисунке. Достаточно загрузить в систему файл, а алгоритм самостоятельно расставит необходимые опорные точки и составит код программы.

На практике полученное решение можно применить для нанесения гравировки или рисования.

У нас на канале есть видео, в котором наш «робот-художник» изобразил портрет А. С. Пушкина. Также технологию можно использовать для сварки деталей сложной формы. По сути, это робототехнический комплекс, решающий промышленные задачи в лабораторных условиях.

В лаборатории также имеется трехпалое захватное устройство, оснащенное датчиками давления, расположенными на внутренней поверхности пальцев.

Такое устройство позволяет выполнять манипулирование хрупкими объектами, когда важно точно контролировать силу захвата во избежание повреждения.

В лаборатории имеется роботизированная модель надводного судна, которая предназначена для проведения испытаний систем динамического позиционирования.

Модель оснащена несколькими исполнительными приводами, а также аппаратным обеспечением радиосвязи для передачи управляющих сигналов.

Важно

В помещении лаборатории есть бассейн, на котором проверяется работоспособность алгоритмов управления по удержанию положения малой модели надводного судна с компенсацией продольных и поперечных смещений.

В настоящее время планируется организация крупного бассейна для проведения масштабных испытаний с усложненными сценариями.

Работа с партнерами и планы

Один из наших партнеров — британская компания TRA Robotics. Вместе мы работаем над совершенствованием алгоритмов управления промышленными роботами для предприятия цифрового производства. На таком предприятии весь производственный цикл: от разработки до изготовления промышленной продукции, будут выполнять роботы и системы ИИ.

Среди других партнеров — концерн «Электроприбор», совместно с которым мы разрабатываем мехатронные и робототехнические системы. Наши студенты помогают сотрудникам концерна в области приборостроения, разработки программного обеспечения и производственных задач.

Еще мы сотрудничаем с General Motors, развиваем робототехнику вместе с InfoWatch. Также сотрудники лаборатории плотно взаимодействуют с компанией АО «Навис», которая реализует проекты по разработке систем динамического позиционирования для надводных судов.

На базе Университета ИТМО работает Лаборатория молодежной робототехники, где школьники готовятся к состязаниям мирового уровня. К примеру, в 2017 году наша сборная выиграла World Robot Olympiad в Коста-Рике, а летом 2018 наши воспитанники взяли два призовых места на Всероссийской олимпиаде школьников.

Мы планируем привлекать больше отраслевых партнеров и воспитывать молодое поколение российских ученых. Возможно, именно они разработают таких роботов, которые органично дополнят мир людей и будут выполнять больше рутинных и опасных задач на предприятиях.

Фотоэкскурсии по другим лабораториям Университета ИТМО:

Источник: https://www.pvsm.ru/robototehnika/309664

Изготовление 6-осевой роботизированной руки — TechCave

Мне очень интересно взаимодействие компьютеров с реальным миром. То, что я выполняю для клиентов в основном заканчивается на экране компьютера или в виде проекта, и получается что, я не делаю следующий шаг в реальный физический мир. Так что это то, что я захотел сделать, чтобы научиться чему-то новому.

Я знал, что мне были необходимы еще некоторые инструменты, если я хочу сделать нечто большее. Поэтому в этом году, я сделал этот шаг и купил себе дешевые китайские металлообрабатывающие станки.

На станке с ЧПУ, я мог бы сделать все, что я когда-либо хотел, Таким образом, мне в голову пришла мысль, чтобы попытаться сделать промышленный 6-осевой манипулятор. Это было бы идеальным проектом, чтобы объединить свою вновь обретенную любовь к созданию физических вещей, со старой (но не исчезнувшей) любовью к программированию.

Совет

Я купил себе запас алюминия, подшипники, двигатели и т.д., и много всего для фрезерования, нарезания внутренней резьбы, сверления, завинчивания, печати, пайки и программирования. Вот что в результате всего этого появилось:

Я не документировал процесс на столько, на сколько я хотел бы это сделать, но я был достаточно умен, чтобы снять видео на каждом этапе.

Так что это своего рода видео о создании (пропустите ролик до конца, для того чтобы увидеть готового робота в действии).

Дальше по подробнее и немного фотографий:

Электромеханика

Я недооценил величину крутящего момента, требуемого для перемещения манипулятора. Предполагаю, что это стандартная ошибка начинающих. Мне потребовалось несколько переделок и большое количество разочарований, прежде чем я получил то что нужно. Для этого мне потребовалось улучшить дизайн и добавить больше коробок передач.

Было бы хорошо иметь планетарные редукторы но, к сожалению, они стоят целое состояние. Так что мне пришлось использовать несколько относительно дешевых червячных коробок передач. Они прекрасно работают, но у них есть довольно много проблем, которые влияют на точность робота. Но по крайней мере он имеет необходимую силу для перемещения.

Я использовал шаговые двигатели так как они позволяют держать определенное положение достаточно просто. Но мне нужно было что-то, чтобы синхронизировать начальное положение между роботом и компьютером. Поэтому я использовал индуктивные датчики на каждой из осей, чтобы получить какую-то начальную позицию.

Читайте также:  Robotics expo 2014 - грандиозная выставка роботов и современных технологий

Рука

Я напечатал руку на 3D принтере, с намерением использовать ее в качестве прототипа, но она так прекрасно работала, что я ее оставил.

Я использовал стандартный дизайн руки робота. Всего два серво-двигателя для открытия и закрытия. Я решил, что было бы хорошо, чтобы был какой-то датчик давления установленный так, чтобы рука знала о том что она что-то держит. Для этого я взял датчики давления из  дешевых кухонных весов, и встроил их в руку.

Я не нашел много информации о том, как использовать такие датчики давления, которые у меня были (4 датчика, 3 провода на каждый) Мне потребовалось немного времени, чтобы выяснить как их подключить. У меня получилась такая схема:

Рука имеет свой собственный Arduino, потому что я хотел, чтобы она могла обмениваться информацией с чем-то еще.

Программное обеспечение

Робот управляется Arduino, который управляет шаговыми двигателями и ускорением. 

Для руки я написал программу на C ++. 

После всего этого робот мог делать заранее запрограммированные вещи. Но это было скучно, и поэтому я сделал простую программу, где робот искал случайно размещенные кубы и пытался построить из них башню.

Робот использует камеру на руке для фотографирования пола. После этого я сделал цветные кубики и края обнаружения, чтобы робот мог их найти.

Исходники кода и файлы дизайна можно найти здесь:

Arduino часть

PC часть

Rhino файлы

Источник: https://TechCave.ru/posts/35-izgotovlenie-6-osevoi-robotizirovannoi-ruki.html

Киберноги и руки-роботы: как устроены бионические протезы | Милосердие.ru

24 февраля 2015 года в журнале «Ланцет» была опубликована статья, описывающая инновационную операцию, получившую название «бионической реконструкции». Провел ее доктор Оскар Азманн в Медицинском университете Вены (Австрия). Реконструкция не стала уникальной: ее удалось повторить трижды, заменяя ампутированную кисть руки протезом, контролировать который пациент может силой мысли.

Фото с сайта engadget.com

Происходящее, однако, не имеет никакого отношения к телепортации: все сугубо материально и основано на простых физических расчетах.

Все 3 пациента перенесли серьезные травмы, приведшие к повреждению плечевого сплетения – пучка нервов, бегущих от позвоночника к кисти. Несмотря на все усилия врачей рука оставалась парализованной.

Часть нервных волокон передавала сигнал, но нервный импульс был недостаточен для того, чтобы пациент смог двигать кистью.

А если бы у кисти был дополнительный источник энергии, своеобразная батарейка, которую можно было заряжать от сети? Этого нельзя достичь с реальной кистью из плоти и крови, но можно попытаться заменить ее протезом, снимаемым на ночь для подзарядки.

Обратите внимание

Идея проста, но осуществление нужно было тщательно продумать и филигранно выполнить.

Прежде всего, чтобы усилить руку, пациентам пересадили туда ножные мышцы.

В течение трех месяцев доктор Азманн ждал, чтобы нервные волокна проросли в новую мышечную ткань, а затем некоторое время работал над их активацией с помощью браслета с искусственными электрическими датчиками.

Затем пациенты научились управлять «виртуальной» рукой, и, наконец, Азманн ампутировал кисти пациентов и заменил их протезами, контролируемыми мышцами руки и датчиками.

У всех трех пациентов их протезы работают гораздо лучше, чем кисти после травмы. Все трое могут держать предметы, наливать воду в стакан из кувшина и даже застегивать пуговицы. Постепенно моторика совершенствуется, и количество функций кисти увеличивается. Если сначала в стандартном тесте на функционирование кисти пациенты Азманна набирали только 9 баллов из 100, то сейчас их оценка – 65.

Самая большая проблема заключается в том, чтобы вернуть кисти осязание: именно оно дает человеку ощущение контакта с реальностью, оно же является ключевым в осуществлении мелких моторных функций кисти. Над этой проблемой работает группа Дастина Тайлера в Медицинском центре ветеранов имени Льюиса Стоукса, (Кливленд, США).

Двум пациентам, потерявшим кисти на производстве, экспериментаторы вживили в своеобразный манжет электродов вокруг трех нервных каналов, проводящих осязательный сигнал от кисти к мозгу. Электроды, стимулирующие различные участки нервного волокна, были присоединены проводами к устройству, передающему импульсы различной частоты, и непосредственно к протезу кисти.

Команда подключала все пальцы по очереди, и испытуемый сообщил о покалывании в большом пальце, потом в указательном и так далее. Наконец, он снова ощутил утраченную кисть.

Фото с сайта newscientist.com

Когда мы дотрагиваемся руками до различных поверхностей, это вызывает различные паттерны активности нервных каналов. Исследователи смоделировали реальность с помощью изменений частоты и интенсивности электрических импульсов.

Пришлось немало потрудиться, пока ощущения стали реальными.

Экспериментальным путем группа Тайлера установила, какие паттерны воссоздают ощущение легкого прикосновения к кончику шариковой ручки, поглаживанию пальца другим пальцем или ватным тампоном.

Итак, схема действия осязания такая: 1. датчики на протезе получают информацию об объекте, к которому прикасается испытуемый, и посылают ее на внешнее устройство; 2. внешнее устройство передает соответствующий паттерн импульсов манжету электродов; 3. электроды посылают по нервным каналам соответствующий сигнал в мозг;

Важно

4. мозг интерпретирует сигнал как прикосновение к поверхности конкретной структуры.

Фото с сайта technews21.com

Пока что исследователи на полпути к цели: система должна стать беспроводной. Сейчас, выходя из лаборатории, пациенты оставляют в ней осязание, обеспеченное компьютерной медиацией между датчиками и мозгом.

Они, однако, могут теперь не только рубить дрова: существенно улучшилось ощущение размера объекта и регуляция давления на него, так что при помощи протеза пациенты могут держать в руке вишенку и оторвать стебелек, не раздавив ее.

Кстати, сеансы осязания имели для пациентов совершенно неожиданный и весьма приятный побочный эффект: прекратились фантомные боли, которые часто преследуют людей, потерявших конечность.

Руководитель группы Дастин Тайлер считает, что потребуется еще несколько лет для разработки беспроводного бионического протеза с регулирующим устройством, которое можно будет носить в кармане.

Еще более амбициозным проектом занимаются исследователи Питтсбургского университета (Пенсильвания, США) под руководством Дженнифер Коллинджер: они смогли «обучить» руку-робот брать объект по команде мозга пациентки, практически полностью парализованной (от шеи и ниже) в результате тяжелой травмы позвоночника. Электроды, вживленные в мозг женщины, посылали сигнал на компьютерное устройство, исследователи выделили паттерны, соответствующие желанию взять предмет, а затем транслировали их в команды для руки-робота. В результате удалось добиться того, что по желанию пациентки кисть принимает форму ковша, щепотки, поднимает большой палец, а вся рука-робот имеет 10 степеней свободы движения. С помощью нее пациентка может, например, взять небольшую бутылочку, поднести ее к губам и через соломинку тянуть напиток.

Пока что, однако, используется лишь порядка 10-20% возможностей робота в силу несовершенства системы доставки информационных сигналов к мозгу от руки и обратно.

Чтобы использовать все его возможности, необходимо скооперироваться с группой Тайлера и найти способ передачи в мозг пациента осязательных ощущений руки-робота.

Совет

Для этого придется разрешить непростую проблему: как производить обработку информации о желании совершить движение, о котором сигнализирует одна зона коры, и одновременно стимулировать другую зону мозга для воспроизведения осязательного ощущения. Но и в этом направлении уже сделаны серьезные шаги.

Группа исследователей Отделения биологии и биоинженерии Калифорнийского технологического института (Пасадена, США) создала устройство, фильтрующее сигналы электродов и позволяющее одновременно двигать внешним роботическим протезом и получать от него осязательный сигнал. Пока что его имплантировали приматам, которые в результате оказались способны к распознаванию спрятанных объектов «наощупь». Следующий этап – осуществить то же самое для человека.

Фото с сайта dailymail.co.uk

Большая часть исследований об «оживлении» бионических протезов конечностей посвящена рукам, и это неслучайно.

Руки играют ключевую роль в жизнедеятельности человека, в то время как функции ног гораздо более успешно заменяются в наше время разнообразной машинерией. Но и нижние конечности не стоят в стороне.

Идет активная работа над интернациональным проектом «Киберноги» (Cyberlegs) с центром в Италии.

Фото с сайта engadget.com

Система «Киберноги» состоит из «смартшузов», то есть умных туфлей, снабженных датчиками давления и приборами измерения инерции, собственно, конечности, а также алгоритма декодирования намерений пациента, способного уловить, хочет ли субъект пойти, встать, сесть, подняться вверх или спуститься по ступеням, и в соответствии с этим адаптировать положение ножного протеза. Если пациенту требуется дополнительная помощь в движении бедер, его снабжают специальным набедренным поясом. Система регулирует как взаимодействие протеза с его носителем с учетом индивидуального характера движения его тела, так и с поверхностью, по которой он движется.

Система апробирована на одиннадцати добровольцах, и сейчас очевидно, что нужно снизить вес протеза и уменьшить его размер для комфорта пациентов. Разработчики надеются, что если не будет перебоев с финансированием, бионические ноги будут полностью готовы к использованию через 2-3 года.

Источники:

Prosthetic hand recreates feeling of cotton bud touch

Thought control makes robot arm grab and move objects

Cyberlegs project wants to equip amputees with robotic limbs

Источник: https://www.miloserdie.ru/article/kibernogi-i-ruki-roboty-kak-ustroeny-bionicheskie-protezy-2/

Роботизированная рука заменит человеческую | РОБОТОША

Существует два основных подхода к вопросу о создании роботизированной руки. Можно создать роботизированную руку с простыми прямолинейными движениями, имеющую два или три пальца для захвата большинства предметов.

Или достаточно сложную, со всеми пятью пальцами, предназначенную для полной имитации человеческих рук, прошедших миллионы лет эволюции. И такую руку удалось разработать, так что если вы хотите, чтобы ваш робот выполнял как можно больше движений и обладал человекоподобной рукой, то теперь это стало возможным.

Из-за сложного строения настоящей человеческой руки, биомиметические антропоморфные руки неизбежно сопряжены с большим количеством проблем: нужно заставить их работать определенным образом и сохранить форму человеческой руки.

Zhe Xu и Emanuel Todorov из Вашингтонского Университета в Сиэтле совершили безумие и создали наиболее точную биомиметическую антропоморфную роботехническую руку, какую можно себе представить, для того, чтобы полностью заменить человеческую.

По словам Zhe Xu, для них было очень важно разработать новый вид робототехнической руки:

Xu и Todorov решили начать с нуля, машинально дублируя движения человеческой руки.

Сначала они просканировали лазером скелет человеческой руки, а затем напечатали на 3D-принтере искусственные кости, что позволило им продублировать незафиксированные совместные оси, которые у нас есть. По словам Xu:

Суставные связки (которые стабилизируют суставы и контролируют диапазон их движений) изготовлены из высокопрочных волокон Spectra, с использованием лазерной резки листов резины, заменяющих мягкие ткани.

Обратите внимание

Разгибатели и сгибатели сухожилий (для сгибания и выпрямления пальцев) также изготовлены из волокон Spectra и резиновых листов методом лазерной резки для обшивки сухожилий и мышцы-разгибателя, представляющую собой сложную перепончатую многослойную структуру, которая оборачивается вокруг пальцев, чтобы лучше управлять гибкостью и крутящим моментом.

Мышцы состоят из массива 10 сервоприводов Dynamixel, тросы от которых которых проложены таким образом, чтобы точно имитировать запястье человеческой руки.

Помимо того, что это практически произведение искусства, рука способна очень точно имитировать разнообразные хватки при управлении с дистанционного манипулятора. Операторы также могут выполнять сложные манипуляции рукой без обратной связи, так как кинематика руки совпадает с настоящей человеческой рукой.

Это настоящий прорыв: дело в том, что рука предназначена для имитации человеческой руки, и это означает, что она имитирует человеческую руку, в первую очередь, из-за своей конструкции, а не программирования. Это имеет массу потенциальных преимуществ в телеманипуляции, поскольку оператор может более органично использовать ловкость собственных рук.

Читайте также:  Илон маск призывает начать контролировать ии, прежде чем роботы захватят мир

Ученые предполагают, что их руки могут быть использованы «как 3D каркасы для регенерации конечностей». По словам Xu:

Разработка биомиметическая антропоморфной роботизированной руки для регенерации конечностей, созданной Zhe Xu и Emanuel Todorov из Вашингтонского Университета будет представлена на ICRA в Стокгольме в мае этого года.

Источник:spectrum.ieee.org

Источник: http://robotosha.ru/robotics/robot-hand-replace-human-hand.html

Робототехника: с чего начать изучение, где заниматься и каковы перспективы

Робототехника — одно из перспективнейших направлений в сфере интернет-технологий, а то, что за ИТ-сферой будущее, в наше время и объяснять не надо. Роботостроение — увлекательнейшая штука: сконструировать робота значит почти что создать новое существо, пусть и электронное.

С 60-х годов прошлого века автоматизированные и самоуправляющиеся устройства, делающие какую-либо работу за человека, стали использоваться для исследований и в производстве, затем в сфере услуг и с тех с каждым годом прочнее занимают свое место в жизни людей. Конечно, нельзя сказать, что в России все сплошь выполняется самостоятельными механизмами, однако определенный вектор в эту сторону точно намечается. Вот уже и Сбербанк планирует заменить три тысячи юристов умными машинами.

Вместе с экспертами попытаемся разобраться, зачем нужна роботехника и как к ней подступиться.

Важно

Если коротко, то робототехника для детей направлена на изучение предмета, тогда как профессиональная – на решение конкретных задач. Если специалисты создают промышленные манипуляторы, выполняющие разные технологические задачи, или специализированные колесные платформы, то любители и дети, конечно же, занимаются вещами попроще.

Татьяна Волкова, сотрудник Центра интеллектуальной робототехники: «Как правило, с чего все начинают: разбираются с моторами и заставляют робота элементарно ехать вперед, потом – делать повороты.

Когда робот выполняет команды движения, можно уже подключить датчик и сделать так, чтобы робот ехал на свет или, наоборот, «убегал» от него. А дальше идет любимая задача всех новичков: робот, который ездит по линии.

Устраиваются даже различные гонки роботов».

Для начала нужно купить конструктор и посмотреть, нравится ли ребенку собирать его. А дальше и в кружок можно отдать. Занятия помогут ему развить мелкую моторику, фантазию, пространственное восприятие, логику, концентрацию и терпеливость.

Чем быстрее получится определиться с направлением роботехники — конструирование, электроника, программирование — тем лучше. Все три области обширны и требуют отдельного изучения.

Александр Колотов, ведущий специалист STEM-программ в Университете Иннополис: «Если ребенку нравится собирать конструктор, то ему подойдёт конструирование. Если ему интересно изучать, как устроена вещь, то ему понравится заниматься электроникой. Если у ребенка тяга к математике, то его заинтересует программирование».

Начинать изучение и записываться в кружки лучше всего с детства, впрочем, не слишком рано — в 8-12 лет, говорят специалисты.

Раньше ребенку сложнее уловить понятные абстракция, а позднее, в подростковом возрасте, у него могут появиться другие интересы, и он станет отвлекаться.

Совет

Также ребенка необходимо мотивировать на изучение математики, чтобы ему было интересно и легко в будущем проектировать механизмы и схемы, составлять алгоритмы.

С 8-9 лет ребята уже могут понимать и запоминать, что такое резистор, светодиод, конденсатор, а позже и понятия из школьной физики осваивать с опережением школьной программы. Не важно, станут они специалистами в этой области или нет, полученные знания и навыки точно даром не пропадут.

В 14-15 лет нужно продолжать заниматься математикой, отодвинуть занятия в кружке по робототехнике на второй план и начать изучение программирования более серьезно – разбираться не только в сложных алгоритмах, но и в структурах хранения данных.

Далее идут математический базис и знания в алгоритмизации, погружение в теорию механизмов и машин, проектирование электромеханической оснастки робототехнического устройства, реализацию алгоритмов автоматической навигации, алгоритмы компьютерного зрения и машинное обучение.

https://www.youtube.com/watch?v=4p-9zESIETM

Александр Колотов: «Если в этот момент познакомить будущего специалиста с основами линейной алгебры, комплексным счислением, теорией вероятности и статистики, то к поступлению в вуз он уже будет хорошо представлять, зачем ему стоит обращать дополнительное внимание на эти предметы при получении высшего образования».

Для каждого возраста существуют свои образовательные программы, конструкторы и платформы, различающиеся степенью сложности. Можно найти как зарубежные, так и отечественные продукты. Есть дорогие наборы для робототехники (в районе 30 тыс. руб. и выше), есть и подешевле, совсем простые (в пределах 1-3 тыс. руб.).

Если ребенку 8-11 лет, можно купить конструкторы Lego или Fischertechnik (хотя, конечно, производители имеют предложения как для более младшего, так и для старшего возрастов).

Конструктор Lego для робототехники обладает интересными деталями, яркими фигурками, он легок в сборке и снабжен подробной инструкцией.

Серия конструкторов Fischertechnik для робототехники приближает к настоящему процессу разработки, здесь вам и провода, и штекеры, и визуальная среда программирования.

В 13-14 лет можно начать работать с ТРИК или модулями Arduino, которые, по словам Татьяны Волковой, является практически стандартом в области образовательной робототехники, а также Raspberry. ТРИК сложнее Lego, но легче Arduino и Raspberry Ri. Последние две уже требуют базовых навыков программирования.

Что еще потребуется изучить?

Программирование. Избежать его возможно только на первоначальном этапе, потом же без него никуда. Начать можно с Lego Mindstorms, Python, ROS (Robot Operating System).

Базовую механику. Начинать можно с поделок из бумаги, картона, бутылок, что важно и для мелкой моторики, и для общего развития. Самого простого робота можно сделать вообще из отдельных деталей (моторчики, провода, фотодатчик и одна несложная микросхема). Познакомиться с базовой механикой поможет «Мастерилка с папашей Шперхом».

Основы электроники. Для начала научиться собирать простые схемы. Для детей до восьми лет эксперты советуют конструктор «Знаток», дальше можно перейти к набору «Основы электроники. Начало».

Где заниматься робототехникой детям?

Если видите у ребенка интерес, можно отдать его в кружки и на курсы, хотя можно заниматься и самостоятельно. На курсах ребенок будет под руководством специалистов, сможет найти единомышленников, займется робототехникой на регулярной основе.

Также желательно сразу понять, чего хочется от занятий: участвовать в соревнованиях и бороться за призовые места, участвовать в проектной деятельности или просто заниматься для себя.

Алексей Колотов: «Для серьезных занятий, проектов, участия в соревнованиях нужно выбирать кружки, с небольшими группами по 6—8 человек и тренером, который приводит учеников к призовым местам на соревнованиях, который постоянно сам развивается и дает интересные задачи. Для занятий в виде хобби можно пойти в группы до 20 человек».

При записи на курсы обратите внимание на педагога, рекомендует коммерческий директор компании Promobot Олег Кивокурцев. «Бывают прецеденты, когда педагог просто отдает ребятам оборудование, а дальше занимайтесь кто чем хочет», — согласна с Олегом Татьяна Волкова. От таких занятий толку будет мало.

Обратите внимание

Татьяна Волкова: Хороший педагог — тот, кто учит детей новым понятиям на достаточном уровне абстракции вне зависимости от используемого оборудования, а не только «сейчас нажать туда, здесь написать это»».

При выборе курсов также стоит обратить внимание и на имеющуюся материально-техническую базу. Есть ли там конструкторские наборы (не только Lego), имеется ли возможность писать программы, изучать механику и электронику, самому делать проекты.

На каждую пару учащихся должен быть свой робототехнический комплект. Желательно с дополнительными деталями (колесами, шестернями, элементами каркаса), если хочется участвовать в соревнованиях.

Если с одним набором работает сразу несколько команд то, скорее всего, никаких серьезных соревнования не предполагается.

Поинтересуйтесь, в каких соревнованиях участвует клуб робототехники. Помогают ли эти конкурсы закрепить полученные навыки и дают ли возможность для дальнейшего развития.

Соревнование Robocup 2014

Как изучать робототехнику самостоятельно?

Курсы требуют денег и времени. Если первого не хватает и регулярно ходить куда-либо не получится, можно заняться с ребенком самостоятельным изучением. Важно, чтобы родители обладали необходимой компетенцией в этой сфере: без помощи родителя, ребенку освоить робототехнику будет достаточно сложно, предостерегает Олег Кивокурцев.

Найдите материал для изучения. Их можно брать в Интернете, из заказываемых книг, на посещаемых конференциях, из журнала «Занимательная робототехника». Для самостоятельного изучения есть бесплатные онлайн-курсы, например, «Строим роботов и другие устройства на Arduino: от светофора до 3D-принтера».

Нужно ли изучать роботехнику взрослым?

Если Вы уже вышли из детского возраста, это не значит, что двери робототехники для Вас закрыты. Можно так же записаться на курсы или изучать ее самостоятельно.

Если человек решил заниматься этим как хобби, то путь его будет таким же, как у ребенка. Однако понятно, что дальше любительского уровня без профессионального образования (инженера-конструктора, программиста и электронщика) продвигаться вряд ли получится, хотя, конечно, устраиваться на стажировки в компании и упорно грызть гранит нового для вас направления никто не запрещает.

Олег Кивокурцев: «Взрослому будет проще освоить робототехнику, но важным фактором является время».

Для тех, у кого близкая специальность, но хочется переучиться, также есть разные курсы в помошь. Например, для специалистов по машинному обучению одойдет бесплатный онлайн-курс по вероятностной робототехнике «Искусственный интеллект в робототехнике».

Также существуют образовательная программа Intel, просветительский проект «Лекториум», дистанционные курсы ИТМО. Не забудьте и про книги, например, есть много литературы для начинающих («Основы робототехники», «Введение в робототехнику», «Настольная книга робототехника»).

Подберите то, что больше всего понятно и подходит вам.

Следует помнить, что серьезная работа отличается от любительского увлечения как минимум стоимостью затрат на оборудование и перечнем поставленных перед работником задач.

Важно

Одно дело – своими руками собирать самого простого робота, совсем другое – заниматься, например, машинным зрением.

Поэтому изучать основы конструирования, программирования и аппаратной инженерии все-таки лучше с ранних лет и впоследствии, если понравилось, поступать в профильный университет.

В какие вузы идти учиться?

Направления, связанные с робототехникой, можно найти в следующих вузах:

— Московский технологический университет (МИРЭА, МГУПИ, МИТХТ);

— Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана;

— Московский государственный технологический университет «Станкин»;

— Национальный исследовательский университет «МЭИ» (Москва);

— Сколковский институт науки и технологий (Москва);

— Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II;

— Московский государственный университет пищевых производств;

— Московский государственный университет леса;

— Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (СГУАП);

— Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО);

— Магнитогорский государственный технический университет;

— Омский Государственный технический университет;

— Саратовский государственный технический университет;

— Университет Иннополис (Республика Татарстан);

— Южно-Российский федеральный университет (Новочеркасский ГТУ).

Самое главное

Знать азы робототехники в скором времени может оказаться полезно и обывателям, а возможность стать специалистом в этой сфере выглядит очень перспективно, так что хотя бы попробовать себя в «роботостроительстве» определенно стоит.

Источник: https://www.dgl.ru/articles/robototehnika-s-chego-nachat-izuchenie-gde-zanimatsya-i-kakovy-perspektivy_11654.html

Ссылка на основную публикацию