Προσωπικός ρομποτικός βοηθός

Με τον όρο προσωπικός ρομποτικός βοηθός (personal assistant robot) εννοούμε ημιαυτόνομες ή πλήρως αυτόνομες μηχανές που μπορούν (εν μέρει) να συμπεριφέρονται όπως οι άνθρωποι προκειμένου να τους εξυπηρετούν. Συνήθως αναλαμβάνουν εργασίες που είναι επαναλαμβανόμενες, επικίνδυνες ή αντιπαθείς για τον άνθρωπο, όπως για παράδειγμα οι δουλειές στο σπίτι. Επίσης, πολλές υλοποιήσεις αποσκοπούν στην διευκόλυνση της καθημερινής ζωής ευπαθών ομάδων, όπως άτομα με ειδικές ανάγκες και οι ηλικιωμένοι. Επιπλέον, ορισμένα από αυτά τα ρομπότ στοχεύουν στην ψυχαγωγία των ανθρώπων κάνοντας χορογραφίες, τραγουδώντας ή παίζοντας αθλήματα. [1]

Είδη κατασκευής

Τα ρομπότ βοηθείας έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά, ανάλογα με τον λόγο ύπαρξής τους. Οι διαφορές αυτές επικεντρώνονται συνήθως στη μετακίνηση σε δύο πόδια, στον επιδέξιο χειρισμό των χεριών, ή στην προσομοίωση ανθρώπινων δακτύλων . Κάθε δομή διαθέτει δικό της σύστημα ελέγχου χειρισμού (manipulation system) , το οποίο χτίζεται ανάλογα με τις ανάγκες που στοχεύει να καλύψει, συνδυάζοντας τεχνητή νοημοσύνη με γνωστικές ικανότητες.

Τα σημερινά ρομπότ διακρίνονται κυρίως είτε για την κινητικότητά τους είτε για τη σημαντικά καλή κίνηση των χεριών τους. [2]

Έμφαση στη μετακίνηση

Η πρώτη κατηγορία αναφέρεται σε ρομπότ που χρησιμοποιούν κινητές πλατφόρμες [3] για να αποδίδουν καλά σε εργασίες που απαιτούν ανίχνευση και μετακίνηση σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον, χρησιμοποιώντας λογισμικό και φυσικά στοιχεία, όπως ρόδες, τροχιές ή πόδια. Μέχρι στιγμής, τα καταφέρνουν καλά σε απλές εργασίες, αλλά δυσκολεύονται να διαχειριστούν πιο σύνθετες δουλειές. Μια εξαιρετική εφαρμογή τους είναι τα Honda ASIMO, καινοτομίες που εφαρμόζονται σε άτομα με κινητικές δυσκολίες για να περπατούν ή τους βοηθούν να ρυθμίζουν το σωματικό τους βάρος [4]. Ένα άλλο σπουδαίο παράδειγμα είναι το Sony QRIO, το πρώτο ανθρωποειδές ρομπότ στο κόσμο που τρέχει, περπατάει και κάνει άλματα [5].

Έμφαση στη χρήση δακτύλων

Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει ρομπότ με κορμό, επιδέξια κίνηση των χεριών και πολυσχιδή χρήση δακτύλων. Τέτοιες κατασκευές μπορεί να απαρτίζονται από ατελείς πλατφόρμες αλλά είναι αρκετά ικανές ώστε να μιμούνται ανθρώπινα χέρια. Μια αξιόλογη εφαρμογή αυτού αναπτύχτηκε από τη NASA κι είναι γνωστή ως Robonaut2. Πρόκειται για ένα ανθρωποειδές με μεγάλη ακρίβεια δακτύλων που μπορεί να εργαστεί και να εξερευνήσει το διάστημα, δουλεύοντας παράλληλα με άλλους αστροναύτες ή πηγαίνοντας εκεί όπου οι κίνδυνοι είναι πολύ μεγάλοι για την ανθρώπινη ζωή [6]. Μια ακόμη σημαντική κατασκευή είναι το Domo (MIT), το οποίο βοηθά ηλικιωμένους ή ανθρώπους που είναι καθηλωμένοι σε αναπηρικό αμαξίδιο σε απλές οικιακές εργασίες, όπως να τακτοποιούν τα πιάτα [7] [8]. Τέλος, ο Dexter (UMass Amherst), ένα ρομπότ με τρία δάχτυλα, ενσωματώνει αισθητήρες φόρτισης σε κάθε άκρο δαχτύλου για να επιτύχει τη σύλληψη αντικειμένων [9].

Σχεδιασμός ρομποτικού συστήματος

Πριν από τη συναρμολόγηση του ρομπότ, πρέπει να κατασκευαστεί ένα μοντέλο που να δείχνει τη κατασκευή και τη λειτουργικότητά του. Με τον όρο μοντέλο, εννοούμε είναι ένα σχέδιο που αναλύει τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος και των υποσυστημάτων του ρομπότ, παρέχοντας λεπτομέρειες για τον προσδιορισμό της υλοποίησης του συστήματος ελέγχου. [10]

Συνήθως, ένα σύστημα ελέγχου για κινητές πλατφόρμες περιλαμβάνει δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ της κινητής βάσης και των χειριστών επί αυτής. Αυτό γίνεται τις περισσότερες φορές υπό μη ολονομικούς περιορισμούς (nonholonomic constrains), δηλαδή περιορισμούς στην ταχύτητα που όμως δεν μειώνουν τον χώρο παραμετροποιήσεων που μπορεί να λάβει το αντικείμενο. [11]

Μη ολονομικοί περιορισμοί (nonholonomic constrains) στα ρομπότ

Το πρώτο μέρος αυτής της θεωρίας υποδεικνύει πως αν μειώσουμε τις πιθανές τιμές που μπορεί να λάβει η ταχύτητα ενός ρομπότ (δηλαδή αν περιορίσουμε τις πιθανές κινήσεις του), τότε μειώνεται η δυναμικότητα του. Σε άποψη εφαρμογής, αυτό σημαίνει ότι το ρομπότ δεν μπορεί να προχωρήσει αποκλειστικά και μόνο στον άξονα x χωρίς να έχει κινηθεί έστω λίγο στον άξονα y σε ένα δισδιάστατο σύστημα συντεταγμένων. Πιο απλά, σκεπτόμενοι ένα αυτοκίνητο, παρατηρούμε ότι οι τροχοί του δεν μπορούν να γλιστρήσουν απευθείας από πλευρά σε πλευρά (μόνο αριστερά ή μόνο δεξιά) χωρίς να κινηθούν λίγο προς τα εμπρός ή προς τα πίσω.

Tο δεύτερο μισό των μη-ολονομικών περιορισμών ορίζει ότι, ακόμη κι αν περιορίσουμε τη κίνηση, ο χώρος των διαμορφώσεων (παραμέτρων) δεν πρέπει να μειώνεται, πράγμα που σημαίνει ότι το όχημα πρέπει να μπορεί να φτάσει σε οποιαδήποτε κατάσταση/ σημείο στον τρισδιάστατο χώρο. Με απλά λόγια, αν σκεφτούμε ένα αυτοκίνητο που έχει ως στόχο να παρκάρει ανάμεσα σε δύο άλλα αντικείμενα, το όχημα δεν μπορεί να γλιστρήσει απευθείας (με μια μονάχα κίνηση) ανάμεσα τους και να ευθυγραμμιστεί τέλεια με αυτά. Πρέπει πρώτα να κινηθεί λίγο προς τα εμπρός έχοντας το τιμόνι γυρισμένο, στη συνέχεια να πάει προς τα πίσω γυρίζοντας το τιμόνι προς την άλλη πλευρά, και τελικά μετά από μερικές ακόμη κινήσεις να επιτύχει το παράλληλο παρκάρισμα. Αυτό συμβαίνει γιατί η κατασκευή του δεν του επιτρέπει να καταλήξει ανάμεσα από τα δύο αντικείμενα κάνοντας μόνο μια προσπάθεια, αλλά έπειτα από μια ακολουθία επιμέρους κινήσεων.

Το αποτέλεσμα είναι ότι το αυτοκίνητο έχει φτάσει στον επιθυμητό προορισμό του (πάρκινγκ ανάμεσα σε δύο αντικείμενα) - εξασφαλίζοντας τη θέση του στον τρισδιάστατο χώρο - απλώς δεν έχει φτάσει εκεί απευθείας - λόγω περιορισμών στη κίνηση.

Όλα αυτά, αν εκφραστούν με μαθηματικές εξισώσεις κίνησης, δείχνουν πώς το δυναμικό μοντέλο ορίζει μια στιγμιαία σχέση μεταξύ των εξωτερικών δράσεων, των γενικευμένων συντεταγμένων και των χρονικών παραγώγων τους (ταχύτητες και επιταχύνσεις). Συνήθως, η δυναμική των χειριστών κίνησης προκύπτει βάση τέσσερις προσεγγίσεις: τη μέθοδος Newton-Euler, την εξίσωση Lagrange, την αναδρομική διατύπωση προς τα εμπρός και τη προσέγγιση του Kane.

Βηματική σχεδίαση ρομποτικού συστήματος

Μια παραδοσιακή μέθοδος που χρησιμοποιείται για τη σχεδίαση ενός ρομποτικού συστήματος περιλαμβάνει:  [12]

1.           Κατασκευή ενός μηχανικού – μηχανολογικού μοντέλου

2.           Ορισμός των απαιτούμενων διαφορικών εξισώσεων

3.           Εύρεση μιας γενικής λύσης (κανονισμός λύσης)

4.           Προγραμματισμός του συστήματος προς την κανονισμένη λύση

Παραπομπές

[1] Yang Qian. Design and Control of a Personal Assistant Robot. Other. Ecole Centrale de Lille, 2013. English. ffNNT : 2013ECLI0005ff. fftel-00864692f (found on https://theses.hal.science/tel-00864692/document , on page 21)

[2] Yang Qian. Design and Control of a Personal Assistant Robot. Other. Ecole Centrale de Lille, 2013. English. ffNNT : 2013ECLI0005ff. fftel-00864692f (found on https://theses.hal.science/tel-00864692/document , on page 25)

[3] Mobile Robot (found on https://www.techtarget.com/iotagenda/definition/mobile-robot-mobile-robotics )

[4] ASIMO by Honda | The World's Most Advanced Humanoid Robot (found on

[5] Sony Global - Press Release - World's First Running Humanoid Robot (found on https://www.sony.com/en/SonyInfo/News/Press_Archive/200312/03-060E/ )

[6] Robonaut2 (NASA) (found on https://www.nasa.gov/robonaut2 )

[7] Dοmo (MIT) (found on https://news.mit.edu/2007/domo)

[8] Edsinger Domo (mit.edu) (found on http://people.csail.mit.edu/edsinger/domo.htm)

[9] Humanoid Research (umass.edu) (found on https://www-robotics.cs.umass.edu/Research/Humanoid/humanoid_index.html)

[10] Yang Qian. Design and Control of a Personal Assistant Robot. Other. Ecole Centrale de Lille, 2013. English. ffNNT : 2013ECLI0005ff. fftel-00864692f (found on https://theses.hal.science/tel-00864692/document , on page 26-27)

[11] Holonomic - Nonholonomic constrains - Robots (found on https://www.mecharithm.com/holonomic-nonholonomic-constraints-robots/)

[12] J.J. Granda, “Computer aided design of dynamic systems”, as stated in the Yang Qian. Design and Control of a Personal Assistant Robot. Other. Ecole Centrale de Lille, 2013. English. ffNNT : 2013ECLI0005ff. fftel-00864692f (found on https://theses.hal.science/tel-00864692/document , on page 25-26)