Қашықтан роботтарды басқару

Кіріспе

Роботтарды қашықтан басқару

Телероботика – робот техникасының қашықтан жартылай дербес роботтарды басқарумен айналысатын саласы. Басқару көбінесе теледидар, сымсыз желілер (мысалы, Wi-Fi, Bluetooth және Deep Space Network) немесе кабельдік қосылымдар арқылы жүзеге асырылады. Бұл телеоперация және телеболғандық сияқты екі маңызды саланың үйлесімі.

Телеоперация

Телеоперация – машинаны қашықтықтан басқаруды білдіреді. Бұл түсінік «қашықтықтан басқару» фразасына ұқсас, бірақ көбінесе ғылыми-зерттеу, академиялық және техникалық салаларда қолданылады. Көбінесе робототехника және мобильді роботтармен байланысты болғанымен, кез келген құрылғыны немесе машинаны адамның қашықтан басқаруына қатысты жағдайларда қолданылуы мүмкін. Телеоперация – зерттеу және техникалық қауымдастықтарда қашықтықтан басқаруды атау үшін қолданылатын стандартты термин. Бұл «телеболмыстылықтан» (телеприсутствие) өзгеше, ол оператордың қашықтағы ортада өздерін сезінуіне мүмкіндік беретін, иммерсивті интерфейспен жабдықталған телероботтық жүйелердің кіші тобын білдіреді. Операторларға барлық негізгі сезімдер (көру, есту және сезіну) арқылы қашықтағы ортада өзін сезінуге мүмкіндік берген алғашқы телеболмыстылық жүйелерінің бірі – 1990 жылдардың басында АҚШ Әуе күштерінің ғылыми-зерттеу зертханаларында жасалған «Виртуалды бекіткіштер» (Виртуальные приспособления) жүйесі болды. Бұл жүйе операторларға қашықтан нақтылықты (мысалы, тікбұрыштарды тесіктерге салу) орындауға мүмкіндік берді, сонда оператор өзі тікбұрыштарды салғандай сезінетін, бірақ шындығында бұл тапсырманы қашықтан басқарылатын робот орындаған. Телеманипулятор (немесе телеоператор) – адам операторының қашықтан басқаратын құрылғысы. Жақсырақ жағдайларда басқару операторының командалық әрекеттері басқарылатын құрылғыдағы әрекеттерге тікелей сәйкес келеді, мысалы, радиомен басқарылатын модельді ұшақ немесе терең суға батыратын аппарат. Егер байланыс кешігуі тікелей басқаруды мүмкін етпесе (мысалы, қашықтағы планеталық ровер), немесе оператордың жұмыс жүктемесін азайту қажет болса (қашықтан басқарылатын тыңшы немесе шабуылдаушы ұшақтардағыдай), құрылғы тікелей басқарылмайды, оның орнына белгіленген жолмен жүруге бұйрық беріледі. Құрылғы жетілдірілгенде, ол кедергілерден өту сияқты мәселелерде дербес жұмыс істей алады, бұл планеталық роверлерде де жиі қолданылады. Операторға роботты қашықтан басқаруға мүмкіндік беретін құрылғылар кейде телехироробототехника деп аталады. Телероботика мен телеболмыстылықтың екі негізгі компоненті – визуалды және басқару қолданбалары. Қашықтан басқару камерасы роботтан алынған көріністі көрсетеді. Робот камерасын интуитивті басқаруға мүмкіндік беретін перспективаға орналастыру – ғылыми фантастикаға (Роберт А. Хайнлайнның 1942 жылғы «Уолдо» әңгімесі) негізделген жаңа әдіс, бірақ жылдамдық, ажыратымдылық және өткізу қабілеті жақында ғана жеткілікті деңгейге жеткендіктен, робот камерасын тиімді басқаруға мүмкіндік берді. Басқа орнатылған дисплейді пайдаланып, камераны басқаруды төмендегі суретте көрсетілгендей, басты қадағалау арқылы жеңілдетуге болады. Бұл тек пайдаланушы жүйенің кідірісіне, қозғалысқа жауап берудегі кешігуге және визуалды бейнелеуге төзе алатын болса ғана жұмыс істейді. Видео кескінінің жеткіліксіз ажыратымдылығы, кідірісі, қозғалыстың механикалық және компьютерлік өңдеудегі кешігуі, камера линзасы мен басқа орнатылған дисплей линзаларының оптикалық бұрмалануы сияқты мәселелер пайдаланушыда «симулятор ауруын» тудыруы мүмкін, бұл қозғалыстың визуалды бейнелеуімен байланысты вестибулярлық стимуляцияның болмауынан күшейеді. Пайдаланушылардың қозғалыстары арасындағы сәйкессіздік, мысалы, тіркеу қателері, шамадан тыс сүзгілеуден туындаған қозғалыстың жауабындағы кешігу, кішігірім қозғалыстар үшін жеткіліксіз ажыратымдылық және баяу жылдамдық осы проблемаларға себеп болуы мүмкін. Сол технология роботты басқара алады, бірақ содан кейін көз-қол үйлестіру мәселесі жүйе арқылы одан да күшейеді, ал пайдаланушының шиеленісі немесе ренжіуі жүйені пайдалануды қиындатады. Роботтарды жасаудағы бағыт – бақылау мәселелерін азайту үшін еркіндік дәрежесін азайту болды. Компьютерлердегі соңғы жетістіктер еркіндік дәрежесін арттыруға басымдық берді, бұл робот құрылғыларына олардың қозғалыстарында ақылдырақ және адамша көрінуге мүмкіндік берді. Бұл сонымен қатар пайдаланушының өз қозғалыстарымен роботты басқаруына мүмкіндік беретін тікелей телеоперацияны жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

Teleoperation indicates operation of a machine at a distance. It is similar in meaning to the phrase "remote control" but is usually encountered in research, academic and technical environments. It is most commonly associated with robotics and mobile robots but can be applied to a whole range of circumstances in which a device or machine is operated by a person from a distance. Teleoperation is the most standard term, used both in research and technical communities, for referring to operation at a distance. This is opposed to "telepresence", which refers to the subset of telerobotic systems configured with an immersive interface such that the operator feels present in the remote environment, projecting their presence through the remote robot. One of the first telepresence systems that enabled operators to feel present in a remote environment through all of the primary senses (sight, sound, and touch) was the Virtual Fixtures system developed at US Air Force Research Laboratories in the early 1990s. The system enabled operators to perform dexterous tasks (inserting pegs into holes) remotely such that the operator would feel as if he or she was inserting the pegs when in fact it was a robot remotely performing the task. A telemanipulator (or teleoperator) is a device that is controlled remotely by a human operator. In simple cases the controlling operator's command actions correspond directly to actions in the device controlled, as for example in a radio controlled model aircraft or a tethered deep submergence vehicle. Where communications delays make direct control impractical (such as a remote planetary rover), or it is desired to reduce operator workload (as in a remotely controlled spy or attack aircraft), the device will not be controlled directly, instead being commanded to follow a specified path. At increasing levels of sophistication the device may operate somewhat independently in matters such as obstacle avoidance, also commonly employed in planetary rovers. Devices designed to allow the operator to control a robot at a distance are sometimes called telecheric robotics. Two major components of telerobotics and telepresence are the visual and control applications. A remote camera provides a visual representation of the view from the robot. Placing the robotic camera in a perspective that allows intuitive control is a recent technique that although based in Science Fiction (Robert A. Heinlein's 1942 short story "Waldo") has not been fruitful as the speed, resolution and bandwidth have only recently been adequate to the task of being able to control the robot camera in a meaningful way. Using a head mounted display, the control of the camera can be facilitated by tracking the head as shown in the figure below. This only works if the user feels comfortable with the latency of the system, the lag in the response to movements, the visual representation. Any issues such as, inadequate resolution, latency of the video image, lag in the mechanical and computer processing of the movement and response, and optical distortion due to camera lens and head mounted display lenses, can cause the user 'simulator sickness' that is exacerbated by the lack of vestibular stimulation with visual representation of motion. Mismatch between the users motions such as registration errors, lag in movement response due to overfiltering, inadequate resolution for small movements, and slow speed can contribute to these problems. The same technology can control the robot, but then the eye–hand coordination issues become even more pervasive through the system, and user tension or frustration can make the system difficult to use. The tendency to build robots has been to minimize the degrees of freedom because that reduces the control problems. Recent improvements in computers has shifted the emphasis to more degrees of freedom, allowing robotic devices that seem more intelligent and more human in their motions. This also allows more direct teleoperation as the user can control the robot with their own motions.

Интерфейстер

Телеробот интерфейсі, қарапайым MMK (монитор, тышқан және пернетақта) интерфейсі сияқты қарапайым болуы мүмкін. Бұл толыққанды бойға бітірмейді, бірақ арзан. Интернет қосылысымен басқарылатын телероботика көбінесе осы типті болады. MMK-ның пайдалы модификациясы – джойстик, ол жазықтық роботтың қозғалысына көбірек түсінікті навигациялық схеманы ұсынады. Арнайы телеқатысу жүйелері бір немесе екі көзді дисплейі бар басқа орналасқан дисплейді және джойстик пен тиесілі батырмалар, жылғыштар, триггерлермен жабдықталған эргономикалық интерфейсті пайдаланады. Басқа интерфейстер компьютерлік графиканың орнына толыққанды бойға бітіретін виртуалды шындық интерфейстерін және нақты уақыт видеосын біріктіреді. Мысалы, роботты жүретін немесе жүгіретін адам басқаратын, толыққанды бойға бітіретін дисплей жүйесімен жабдықталған жан-жақты қозғалатын жүгіру таспасын қолдануға болады. Қосымша модификацияларға инфрақызыл термографиялық бейнелеу, нақты уақыттағы қауіпті бағалау немесе құрылғы схемалары сияқты біріктірілген деректерді көрсету кіруі мүмкін.