Введение
Тип робота
Мобильный робот – это автоматическая машина, способная к перемещению. Мобильная робототехника обычно рассматривается как подраздел робототехники и информационных технологий. Мобильные роботы способны передвигаться в окружающей среде и не привязаны к одному физическому месту. Мобильные роботы могут быть "автономными" (AMR – автономный мобильный робот), что означает их способность ориентироваться в неконтролируемой среде без необходимости использования физических или электромеханических устройств управления. Альтернативно, мобильные роботы могут использовать устройства управления, позволяющие им двигаться по заранее заданному маршруту в относительно контролируемом пространстве. В отличие от них, промышленные роботы обычно более или менее стационарны и состоят из шарнирной руки (многозвенного манипулятора) и захватного устройства (или рабочего органа), прикрепленного к фиксированной поверхности. Мобильные роботы становятся все более распространенными в коммерческих и промышленных условиях. Больницы используют автономные мобильные роботы для перемещения материалов уже много лет. На складах устанавливают мобильные роботизированные системы для эффективной транспортировки материалов с полок хранения в зоны комплектации заказов. Мобильные роботы также являются важным направлением современных исследований, и почти в каждом крупном университете есть одна или несколько лабораторий, занимающихся исследованиями в этой области. Мобильные роботы также применяются в промышленности, военной сфере и в системах безопасности. Компонентами мобильного робота являются контроллер, датчики, приводы и система питания. Приводами обычно называют двигатели, приводящие робота в движение – он может быть колесным или шагающим. Для питания мобильного робота обычно используется источник постоянного тока (то есть аккумулятор), а не переменного тока.
Ручная дистанционная или телеоперационная
Ручной дистанционно управляемый робот находится под полным контролем оператора с помощью джойстика или другого управляющего устройства. Это устройство может быть подключено непосредственно к роботу, представлять собой беспроводной джойстик или являться аксессуаром для беспроводного компьютера или другого контроллера. Дистанционно управляемые роботы обычно используются для обеспечения безопасности оператора. Примеры ручных дистанционно управляемых роботов включают ANATROLLER ARI 100 и ARI 50 от Robotics Design, Talon от Foster Miller, PackBot от iRobot и MK 705 Roosterbot от KumoTek.
Охраняемая теле-операция
Защищенный робот с дистанционным управлением способен обнаруживать и избегать препятствий, но в противном случае будет двигаться по заданному водителем пути, как робот в режиме ручного дистанционного управления. Лишь немногие, если вообще существуют, мобильные роботы предлагают только режим защищенного дистанционного управления. (См. раздел «Плавная автономия» ниже.)
Автомобиль, следующий по линии
Некоторые из самых ранних автоматизированных управляемых транспортных средств (AGV) представляли собой мобильных роботов, следующих по линии. Они могли следовать за визуальной линией, нарисованной или встроенной в пол или потолок, либо за электрическим проводом, проложенным в полу. Большинство этих роботов использовали простой алгоритм: "удерживать линию в центре датчика". Они не могли обходить препятствия, а просто останавливались и ждали, пока что-либо не перегородит им путь. Многие модели таких транспортных средств до сих пор продаются компаниями Transbotics, FMC, Egemin, HK Systems и многими другими. Эти типы роботов по-прежнему широко популярны в известных робототехнических сообществах как первый шаг к освоению основ робототехники.
Автономный робот
Автономные роботы со случайным движением, по сути, отскакивают от стен, даже если эти стены обнаруживаются.
Автономно управляемый робот
Автономно управляемый робот обладает как минимум некоторой информацией о своем местоположении и способах достижения различных целей или промежуточных точек маршрута. "Локализация", то есть определение текущего местоположения, вычисляется одним или несколькими способами с использованием датчиков, таких как энкодеры двигателей, системы технического зрения, стереоскопическое зрение, лазеры и глобальные системы позиционирования. Системы позиционирования часто используют триангуляцию, определение относительного положения и/или методы локализации Монте-Карло/Маркова для определения местоположения и ориентации платформы, на основе которых она может планировать маршрут к следующей точке маршрута или цели. Робот способен собирать данные с датчиков, снабженные временными метками и информацией о местоположении. Такие роботы часто интегрированы в беспроводную корпоративную сеть и взаимодействуют с другими системами сенсорики и управления в здании. Например, охранный робот PatrolBot реагирует на тревожные сигналы, управляет лифтами и оповещает командный центр при возникновении инцидента. К другим автономно управляемым роботам относятся роботы SpeciMinder и TUG, предназначенные для доставки грузов в больницах.
Автономия скольжения
Более совершенные роботы объединяют несколько уровней навигации в системе, называемой «скользящая автономия». Большинство автономно управляемых роботов, таких как больничный робот HelpMate, также имеют ручной режим, позволяющий управлять роботом оператору. Автономная операционная система для роботов Motivity, используемая в ADAM, PatrolBot, SpeciMinder, MapperBot и ряде других роботов, обеспечивает полную скользящую автономию, переходя от ручного режима к режиму с контролем и, наконец, к полностью автономному режиму.
История
Дата разработки 1939–1945. Во время Второй мировой войны первые мобильные роботы появились в результате технического прогресса в ряде относительно новых областей исследований, таких как компьютерные науки и кибернетика. В основном это были летающие бомбы. Примерами служат умные бомбы, которые взрываются только в пределах определенного радиуса поражения цели, использование систем наведения и радиолокационного управления. Ракеты V1 и V2 имели примитивный "автопилот" и автоматические системы подрыва. Они были предшественниками современных крылатых ракет. 1948–1949. У. Грей Уолтер создает Элмера и Элси, двух автономных роботов, названных Machina Speculatrix, поскольку эти роботы любили исследовать окружающую среду. Элмер и Элси были оснащены датчиком света. Обнаружив источник света, они двигались к нему, избегая препятствий на своем пути. Эти роботы продемонстрировали, что сложное поведение может возникать из простой конструкции. Элмер и Элси имели эквивалент всего двух нервных клеток. 1961–1963. Университет Джонса Хопкинса разрабатывает "Beast" ("Зверя"). "Зверь" использовал сонар для навигации. Когда батареи разряжались, он находил розетку и подключался к ней. 1969. Mowbot стал первым роботом, способным автоматически косить газон. 1970. Stanford Cart – мобильный робот, который мог следовать по белой линии, используя камеру. Он был связан по радио с большим мэйнфреймом, выполнявшим вычисления. Примерно в то же время (1966–1972) Стэнфордский исследовательский институт разрабатывал и исследовал Shakey the Robot ("Дрожащего Робота"), названного так из-за его неровных движений. Shakey был оснащен камерой, дальномером, датчиками касания и радиосвязью. Shakey стал первым роботом, способным рассуждать о своих действиях. Это означало, что Shakey можно было давать общие команды, и робот самостоятельно определял необходимые шаги для выполнения задачи. Советский Союз исследовал поверхность Луны с помощью лунного ровера "Луноход-1". 1976. В рамках программы "Viking" NASA отправила на Марс два беспилотных космических аппарата. 1980. Интерес общественности к роботам возрос, что привело к появлению роботов, доступных для домашнего использования. Эти роботы предназначались для развлечения или обучения. Примерами являются RB5X, который существует до сих пор, и серия HERO. Stanford Cart теперь способен преодолевать полосы препятствий и создавать карты окружающей среды. В начале 1980-х годов команда Эрнста Дикманса из Университета Бундесвера в Мюнхене создала первые автомобили-роботы, способные двигаться со скоростью до 55 миль в час по пустынным улицам. 1983. С. Бозиновски и М. Сестаков управляли мобильным роботом с помощью параллельного программирования, используя многозадачную систему компьютера IBM Series/1. 1986. С. Бозиновски и Г. Груевски управляли колесным роботом с помощью голосовых команд. Проект был поддержан Македонской ассоциацией научных исследований. 1987. Hughes Research Laboratories продемонстрировала первую автономную работу роботизированного транспортного средства на основе карты и датчиков. 1988. С. Бозиновски, М. Сестаков и Л. Бозиновска управляли мобильным роботом с помощью сигналов ЭЭГ. 1989. С. Бозиновски и его команда управляли мобильным роботом с помощью сигналов ЭОГ. Dante II был разработан Университетом Карнеги-Меллона. Оба робота были шагающими и использовались для исследования действующих вулканов. 1994. Роботы VaMP и VITA 2 компании Daimler Benz и Э. Дикманса из UniBwM, с пассажирами на борту, преодолели более тысячи километров по парижскому трехполосному шоссе в условиях интенсивного движения со скоростью до 130 км/ч. Они продемонстрировали автономное вождение по свободным полосам, движение в колонне и перестроение влево и вправо с автономным обгоном других автомобилей. 1995. Полуавтономный ALVINN проехал на автомобиле от одного побережья до другого, находясь под компьютерным управлением на протяжении большей части пути (за исключением примерно 50 миль из 2850). Однако дроссельной заслонкой и тормозами управлял человек. 1995. В том же году один из автомобилей-роботов Э. Дикманса (с роботом, управляющим дроссельной заслонкой и тормозами) проехал более 1000 миль из Мюнхена в Копенгаген и обратно, в дорожном движении, на скорости до 120 миль в час, иногда выполняя маневры для обгона других автомобилей (в нескольких критических ситуациях управление перехватывал водитель-оператор). Для обработки быстро меняющихся уличных сцен использовалось активное зрение. 1995. Программируемый мобильный робот Pioneer стал коммерчески доступным по доступной цене, что привело к значительному увеличению исследований в области робототехники и университетского образования в течение следующего десятилетия, поскольку мобильная робототехника стала стандартной частью университетской программы. 1996. Cyberclean Systems разработала первого полностью автономного робота-пылесоса, который самостоятельно заряжался, обслуживал лифты и пылесосил коридоры без участия человека. 1996–1997. NASA отправила на Марс Mars Pathfinder с ровером Sojourner. Ровер исследовал поверхность, управляемый с Земли. Sojourner был оснащен системой предотвращения столкновений, что позволяло ему автономно находить свой путь по неизвестной марсианской местности. 1999. Sony представила Aibo – робота-собаку, способного видеть, ходить и взаимодействовать с окружающей средой. Был представлен PackBot – дистанционно управляемый военный мобильный робот. 2001. Начало проекта Swarm bots. Swarm bots напоминают колонии насекомых. Обычно они состоят из большого количества простых индивидуальных роботов, которые могут взаимодействовать друг с другом и вместе выполнять сложные задачи. 2002. Появился Roomba – бытовой автономный мобильный робот для уборки пола. 2002. Н. Бозиновска, Г. Йованчевски и С. Бозиновски осуществили управление роботом через Интернет в рамках дистанционного курса робототехники. Мобильным роботом в США (Южная Каролина, Университет штата) управляли студенты из Европы (Университет святых Кирилла и Мефодия). 2003. Axxon Robotics приобрела Intellibot – производителя линейки коммерческих роботов для мойки, пылесоса и подметания полов в больницах, офисных зданиях и других коммерческих зданиях. Роботы для ухода за полом от Intellibot Robotics LLC работают полностью автономно, создавая карту окружающей среды и используя множество датчиков для навигации и предотвращения столкновений. 2004. Robosapien – биоморфный игрушечный робот, разработанный Марком Тилденом, стал коммерчески доступным. В рамках проекта "The Centibots Project" 100 автономных роботов работали вместе, чтобы создать карту неизвестной среды и найти объекты в ней. В первом конкурсе DARPA Grand Challenge автономные транспортные средства соревновались друг с другом на пустынной трассе. 2005. Boston Dynamics создала четырехногого робота, предназначенного для перевозки тяжелых грузов по пересеченной местности, недоступной для транспортных средств. 2006. Sony прекратила производство Aibo, а HelpMate остановила производство, но более дешевая система автономных сервисных роботов PatrolBot стала доступной, поскольку мобильные роботы продолжали борьбу за коммерческую жизнеспособность. Министерство обороны США закрыло проект MDARS I, но профинансировало MDARS E – автономного полевого робота. TALON Sword, первый коммерчески доступный робот с гранатометом и другими интегрированными вариантами оружия, был выпущен. Asimo от Honda научился бегать и подниматься по лестнице. 2007. В DARPA Urban Grand Challenge шесть транспортных средств автономно завершили сложный маршрут, включающий транспортные средства, управляемые человеком, и препятствия. Роботы Kiva Systems получили широкое распространение в логистических операциях; эти автоматизированные стеллажи сортируют себя в зависимости от популярности их содержимого. Tug стал популярным средством для перемещения больших шкафов с запасами из одного места в другое в больницах, а Speci Minder с Motivity начал перевозить кровь и другие образцы пациентов из медсестринских постов в различные лаборатории. Seekur, первый широко доступный невоенный уличный сервисный робот, тянет 3-тонный автомобиль по парковке, автономно движется в помещении и начинает учиться ориентироваться на улице. Между тем, PatrolBot научился следовать за людьми и обнаруживать приоткрытые двери. 2008. Boston Dynamics опубликовала видеозапись нового поколения BigDog, способного ходить по обледенелой местности и восстанавливать равновесие, когда его пинают сбоку. 2010. В рамках Международного челленджа Multi Autonomous Ground Robotic Challenge команды автономных транспортных средств создают карту л...