робототехника

Robotics — это междисциплинарная отрасль техники и науки, которая включает в себя машиностроение, электронику, информационную инженерию, информатику и другие. Робототехника занимается проектированием, строительством, эксплуатацией и использованием роботов, а также компьютерными системами для их контроля, сенсорной обратной связи и обработки информации.

Эти технологии используются для разработки машин, которые могут заменить людей и воспроизводить действия человека. Роботы могут использоваться во многих ситуациях и для множества целей, но сегодня многие из них используются в опасных средах (включая обнаружение и дезактивацию бомб), производственные процессы или когда люди не могут выжить (например, в космосе). Роботы могут принимать любую форму, но некоторые из них напоминают людей по внешности. Говорят, что это помогает в принятии робота в определенных репликативных поведениях, обычно выполняемых людьми. Такие роботы пытаются воспроизвести ходьбу, подъем, речь, познание и в основном все, что может сделать человек. Многие из современных роботов вдохновлены природой, внося свой вклад в область роботизированной биоиндустрии.

Концепция создания машин, которые могут функционировать автономно, относится к классическим временам, но исследование функциональности и потенциального использования роботов существенно не увеличилось до 20-го века. На протяжении всей истории часто предполагалось, что роботы в один прекрасный день смогут подражать человеческому поведению и управлять задачами по-человечески. Сегодня робототехника является быстро растущей областью, поскольку технологические достижения продолжаются; исследования, проектирование и строительство новых роботов служат различным практическим целям, будь то внутри страны, на коммерческой основе или в военном отношении. Многие роботы созданы для выполнения работ, опасных для людей, таких как обезвреживание бомб, поиск выживших в нестабильных руинах и изучение мин и кораблекрушений. Робототехника также используется в STEM (наука, технология, инженерия и математика) в качестве учебного пособия.

Робототехника — это отрасль техники, которая включает в себя концепцию, проектирование, изготовление и эксплуатацию роботов. Это поле перекрывает электроника, информатика, искусственный интеллект, мехатроника, нанотехнология и биоинженерия.

Роботизированные аспекты

Существует множество типов роботов; они используются во многих разных средах и для разных применений, хотя они очень разнообразны в применении и форме. Все они имеют три основных сходства, когда дело доходит до их построения:

У роботов есть какая-то механическая конструкция, рама, форма или форма, предназначенные для достижения конкретной задачи. Например, робот, предназначенный для перемещения по тяжелой грязи или грязи, может использовать следы гусеницы. Механический аспект — это, в основном, решение создателя для выполнения поставленной задачи и работы с физикой окружающей среды вокруг него. Форма следует за функцией.
У роботов есть электрические компоненты, которые управляют и управляют машинами. Например, робот с гусеничными дорожками потребует какой-то мощности для перемещения трекеров. Эта сила приходит в виде электричества, которая должна будет проходить через провод и исходить от батареи, базовой электрической цепи. Даже машины с бензиновым двигателем, которые получают свою мощность в основном из бензина, по-прежнему требуют электрического тока для запуска процесса сжигания, поэтому большинство машин с бензиновым двигателем, таких как автомобили, имеют батареи. Электрический аспект роботов используется для перемещения (через двигатели), обнаружения (где электрические сигналы используются для измерения таких вещей, как тепло, звук, положение и состояние энергии) и работы (роботы нуждаются в некотором уровне электрической энергии, подаваемой на их двигатели и датчики для активации и выполнения основных операций)
Все роботы содержат некоторый уровень кода компьютерного программирования. Программа — это то, как робот решает, когда и как что-то делать. В примере с гусеничной трассой робот, который должен перемещаться по грязной дороге, может иметь правильную механическую конструкцию и получать правильное количество энергии от своей батареи, но никуда не уйдет, если программа не предложит ей двигаться. Программы являются основной сутью робота, он может иметь отличную механическую и электрическую конструкцию, но если его программа плохо сконструирована, ее производительность будет очень низкой (или она может вообще не работать). Существует три различных типа роботизированных программ: дистанционное управление, искусственный интеллект и гибрид. У робота с программным обеспечением дистанционного управления есть уже существовавший набор команд, которые он будет выполнять только тогда, когда и когда он получает сигнал от источника управления, как правило, человека с дистанционным управлением. Возможно, более уместно рассматривать устройства, управляемые в основном человеческими командами, как попадание в дисциплину автоматизации, а не робототехнику. Роботы, которые используют искусственный интеллект, взаимодействуют со своей средой самостоятельно без источника управления и могут определять реакцию на объекты и проблемы, с которыми они сталкиваются, используя их ранее существовавшее программирование. Гибрид — это форма программирования, которая включает в себя как функции AI, так и RC.

Приложения
Поскольку все больше роботов предназначены для конкретных задач, этот метод классификации становится более актуальным. Например, многие роботы предназначены для сборочных работ, которые могут быть легко адаптированы для других приложений. Они называются «сборными роботами». Для сварки швов некоторые поставщики обеспечивают комплексные сварочные системы с помощью робота, то есть сварочного оборудования, а также других погрузочно-разгрузочных устройств, таких как вертушки и т. Д. В качестве интегрированного устройства. Такая интегрированная роботизированная система называется «сварочным роботом», хотя ее дискретный манипулятор может быть адаптирован к целому ряду задач. Некоторые роботы специально разработаны для тяжелых нагрузок и обозначены как «тяжелые роботы».

Текущие и потенциальные приложения включают:

Военные роботы
Caterpillar планирует разрабатывать машины с дистанционным управлением и рассчитывает на разработку полностью автономных тяжелых роботов к 2021 году. Некоторые краны уже дистанционно управляются.
Было продемонстрировано, что робот может выполнять задачу по скотоводству.
Роботы все чаще используются в производстве (с 1960-х годов). В автомобильной промышленности они могут составлять более половины «рабочей силы». Есть даже «огни» заводы, такие как фабрика по производству клавиатуры IBM в Техасе, которая на 100% автоматизирована.
Роботы, такие как HOSPI, используются в качестве курьеров в больницах (больничный робот). Другие задачи больницы, выполняемые роботами, — это администраторы, гиды и помощники носильщиков.
Роботы могут служить официантами и поварами, а также дома. Борис — робот, который может загружать посудомоечную машину. Rotimatic — это роботизированное кухонное устройство, которое автоматически готовит лепешки.
Бой роботов для спорта — хобби или спортивное мероприятие, на котором два или более робота сражаются на арене, чтобы отключить друг друга. Это было связано с хобби в 1990-х годах с несколькими телесериалами по всему миру.
Очистка загрязненных территорий, таких как токсичные отходы или ядерные объекты.
Сельскохозяйственные роботы (AgRobots).
Домашние роботы, уборка и уход за пожилыми людьми
Медицинские роботы, выполняющие низкоинвазивную хирургию
Бытовые роботы с полным использованием.
нанороботы
Рой-роботы

Компоненты

Источник питания
В настоящее время в качестве источника энергии используются в основном (свинцово-кислотные) батареи. В качестве источника питания для роботов можно использовать множество различных типов батарей. Они варьируются от свинцово-кислотных аккумуляторов, которые являются безопасными и имеют относительно длительный срок хранения, но довольно тяжелы по сравнению с серебристо-кадмиевыми батареями, которые намного меньше по объему и в настоящее время намного дороже. Для разработки робота с батарейным питанием необходимо учитывать такие факторы, как безопасность, срок службы и вес цикла. Также могут использоваться генераторы, часто некоторые типы двигателей внутреннего сгорания. Однако такие конструкции часто являются механически сложными и требуют топлива, требуют тепловыделения и относительно тяжелы. Трос, соединяющий робота с источником питания, полностью отключит питание от робота. Преимущество этого заключается в том, чтобы экономить вес и пространство, перемещая все компоненты для производства электроэнергии и хранения в других местах. Тем не менее, эта конструкция действительно связана с недостатком постоянного подключения кабеля к роботу, который может быть затруднен для управления. Потенциальными источниками энергии могут быть:

пневматические (сжатые газы)
Солнечная энергия (с использованием солнечной энергии и преобразование ее в электрическую)
гидравлика (жидкости)
хранение энергии маховика
органический мусор (через анаэробное пищеварение)
ядерной

приведение в действие
Приводы — это «мышцы» робота, части, которые преобразуют накопленную энергию в движение. На сегодняшний день самыми популярными приводами являются электродвигатели, которые вращают колесо или шестерню, и линейные приводы, которые управляют промышленными роботами на заводах. Есть несколько последних достижений в альтернативных типах приводов, работающих на электричестве, химических веществах или сжатом воздухе.

Электродвигатели
Подавляющее большинство роботов используют электродвигатели, часто щетки и бесщеточные двигатели постоянного тока в портативных роботах или двигатели переменного тока в промышленных роботах и ​​станках с ЧПУ. Эти двигатели часто предпочтительнее в системах с более легкими нагрузками и где преобладающая форма движения является вращательной.

Линейные приводы
Различные типы линейных приводов перемещаются внутрь и снаружи, а не вращаются, и часто имеют более быстрые изменения направления, особенно когда требуются очень большие силы, например, с промышленной роботикой. Обычно они питаются сжатым и окисленным воздухом (пневматическим приводом) или маслом (гидравлическим приводом).

Серия упругих приводов
Изгиб сконструирован как часть приводного механизма двигателя для повышения безопасности и обеспечения надежного контроля силы, энергоэффективности, амортизации (механическая фильтрация), одновременно уменьшая чрезмерный износ передачи и других механических компонентов. Полученная ниже отраженная инерция может повысить безопасность, когда робот взаимодействует с людьми или во время столкновений. Он используется в различных роботах, особенно в передовых производственных роботах и ​​ходущих гуманоидных роботах.

Мускулы воздуха
Пневматические искусственные мышцы, также известные как воздушные мускулы, представляют собой специальные трубки, которые расширяются (как правило, до 40%), когда воздух проникает внутрь них. Они используются в некоторых приложениях для роботов.

Мышечная проволока
Мышечная проволока, также известная как сплав с памятью формы, проволока Nitinol® или Flexinol®, является материалом, который сжимается (до 5%) при подаче электроэнергии. Они были использованы для некоторых небольших приложений для роботов.

Электроактивные полимеры
EAP или EPAM — это новый пластиковый материал, который может существенно сокращать (до 380% активационного напряжения) от электричества и использоваться в лицевых мышцах и руках человекоподобных роботов и позволять новым роботам плавать, летать, плавать или ходить.

Пьезомоторы
Недавними альтернативами двигателям постоянного тока являются пьезомоторы или ультразвуковые двигатели. Эти работы по принципиально другому принципу, при котором крошечные пьезокерамические элементы, вибрирующие много тысяч раз в секунду, вызывают линейное или вращательное движение. Существуют различные механизмы работы; один тип использует вибрацию пьезоэлементов для шага двигателя по кругу или по прямой. Другой тип использует пьезоэлементы, чтобы заставить гайку вибрировать или вращать винт. Преимущества этих двигателей — нанометровое разрешение, скорость и доступная сила для их размера. Эти двигатели уже доступны на коммерческой основе и используются на некоторых роботах.

Упругие нанотрубки
Эластичные нанотрубки — многообещающая искусственная мышечная технология на ранней стадии экспериментального развития. Отсутствие дефектов в углеродных нанотрубках позволяет этим волокнам упруго деформироваться на несколько процентов, причем уровни хранения энергии могут составлять 10 Дж / см3 для металлических нанотрубок. Бицепс человека можно заменить проволокой диаметром 8 мм этого материала. Такая компактная «мышца» может позволить будущим роботам опережать и вытеснять людей.

считывание
Датчики позволяют роботам получать информацию об определенном измерении окружающей среды или внутренних компонентах. Это необходимо для того, чтобы роботы выполняли свои задачи и выполняли любые изменения в среде для расчета соответствующего ответа. Они используются для различных форм измерений, чтобы дать роботам предупреждения о безопасности или неисправностях и предоставить информацию в реальном времени о выполняемой задаче.

потрогать
Современные роботизированные и протезные руки получают гораздо менее осязаемую информацию, чем человеческая рука. Недавние исследования разработали тактильную сенсорную матрицу, которая имитирует механические свойства и сенсорные рецепторы человеческих кончиков пальцев. Массив датчика выполнен в виде жесткого сердечника, окруженного проводящей жидкостью, содержащейся в эластомерной оболочке. Электроды монтируются на поверхности жесткого сердечника и соединены с устройством измерения импеданса внутри сердечника. Когда искусственная кожа касается объекта, путь жидкости вокруг электродов деформируется, создавая изменения импеданса, которые отображают силы, полученные от объекта. Исследователи ожидают, что важная функция таких искусственных кончиков пальцев будет регулировать роботическую хватку на удерживаемых объектах.

Ученые из нескольких европейских стран и Израиля разработали протезную руку в 2009 году под названием SmartHand, которая функционирует как настоящая, позволяющая пациентам писать с ней, набирать клавиатуру, играть на пианино и выполнять другие тонкие движения. Протез имеет датчики, которые позволяют пациенту ощущать настоящее чувство в его кончиках пальцев.

видение
Компьютерное зрение — это наука и технология машин, которые видят. Как научная дисциплина, компьютерное зрение связано с теорией искусственных систем, которые извлекают информацию из изображений. Данные изображения могут принимать различные формы, такие как видеопоследовательности и представления с камер.

В большинстве практических приложений для компьютерного зрения компьютеры предварительно запрограммированы для решения конкретной задачи, но методы, основанные на учебе, в настоящее время становятся все более распространенными.

Системы компьютерного зрения полагаются на датчики изображения, которые обнаруживают электромагнитное излучение, которое обычно представляет собой либо видимый свет, либо инфракрасный свет. Датчики разработаны с использованием физики твердого тела. Процесс, посредством которого свет распространяется и отражает поверхности, объясняется с помощью оптики. Сложные датчики изображения даже требуют квантовой механики, чтобы обеспечить полное понимание процесса формирования изображения. Роботы также могут быть оснащены несколькими датчиками зрения, чтобы лучше находить смысл глубины в окружающей среде. Подобно человеческим глазам, «глаза» роботов также должны быть способны сосредоточиться на определенной области интереса, а также приспосабливаться к изменениям интенсивности света.

В компьютерном зрении есть подполе, где искусственные системы предназначены для имитации обработки и поведения биологической системы на разных уровнях сложности. Кроме того, некоторые из методов обучения, разработанных в рамках компьютерного видения, имеют свой опыт в биологии.

Другой
Другие распространенные формы восприятия в робототехнике используют лидар, радар и гидролокатор.

манипуляция
Роботам нужно манипулировать объектами; собирать, изменять, уничтожать или иным образом оказывать влияние. Таким образом, «руки» робота часто называются конечными эффекторами, а «рука» называется манипулятором. У большинства роботов есть сменные эффекторы, каждый из которых позволяет им выполнять некоторые небольшие задачи. У некоторых есть фиксированный манипулятор, который нельзя заменить, в то время как у некоторых есть один манипулятор общего назначения, например, гуманоидная рука. Изучение того, как манипулировать роботом, часто требует непосредственной обратной связи между человеком и роботом, хотя существует несколько методов дистанционного управления роботами.

Механические захваты
Одним из наиболее распространенных эффекторов является захват. В своем простейшем проявлении он состоит всего из двух пальцев, которые могут открываться и закрываться, чтобы забрать и отпустить целый ряд мелких предметов. Пальцы могут, например, быть изготовлены из цепочки с металлической проволокой, проходящей через нее. Руки, которые напоминают и работают больше как человеческая рука, включают теневую руку и руку Робсона. Руки, которые имеют сложность среднего уровня, включают руку Делфта. Механические захваты могут поставляться различных типов, включая трение и охватывающие челюсти. Фрикционные челюсти используют всю силу захвата, чтобы удерживать объект на месте с помощью трения. Прикрепление челюстей колышет объект на месте, используя меньшее трение.

Вакуумные захваты
Вакуумные захваты — это очень простые атрикутивные устройства, которые могут выдерживать очень большие нагрузки, при условии, что поверхность захвата достаточно гладкая, чтобы обеспечить всасывание.

Выбирайте и размещайте роботы для электронных компонентов и для крупных объектов, таких как ветровые стекла автомобилей, часто используют очень простые вакуумные захваты.

Эффекты общего назначения
Некоторые продвинутые роботы начинают использовать полностью гуманоидные руки, такие как Shadow Hand, MANUS и Shunk. Это очень ловкие манипуляторы, имеющие до 20 степеней свободы и сотни тактильных датчиков.

передвижение

Роллинг-роботы
Для простоты большинство мобильных роботов имеют четыре колеса или несколько непрерывных дорожек. Некоторые исследователи пытались создать более сложные колесные роботы с одним или двумя колесами. Они могут обладать определенными преимуществами, такими как более высокая эффективность и уменьшенные части, а также позволять роботу перемещаться в ограниченном пространстве, которое не мог бы использовать четырехколесный робот.

Двухколесные балансировочные роботы
Балансирующие роботы обычно используют гироскоп для определения того, насколько сильно падает робот, а затем пропорционально приводят колеса в одном направлении, чтобы уравновесить падение сотен раз в секунду, основываясь на динамике перевернутого маятника. Было разработано много разных балансировочных роботов. В то время как Segway обычно не рассматривается как робот, его можно рассматривать как компонент робота, при использовании в качестве такого Segway относятся к ним как RMP (Robotic Mobility Platform). Примером этого использования был Robonaut НАСА, который был установлен на Segway.

Одноколесные балансировочные роботы
Одноколесный балансировочный робот — это расширение двухколесного балансировочного робота, так что он может двигаться в любом двумерном направлении, используя круглый шар в качестве единственного колеса. В последнее время были разработаны несколько одноколесных балансировочных роботов, таких как «Ballbot» Университета Карнеги-Меллона, который является приблизительной высотой и шириной человека, и «BallIP» Университета Тохоку Гакуина. Из-за длинной, тонкой формы и способности маневрировать в ограниченном пространстве они могут функционировать лучше, чем другие роботы в среде с людьми.

Сферические орбитальные роботы
Несколько попыток было сделано в роботах, которые полностью находятся внутри сферического шара, либо путем вращения веса внутри шара, либо путем вращения внешних оболочек сферы. Они также упоминаются как orb bot или ball bot.

Шесть колесных роботов
Использование шести колес вместо четырех колес может дать лучшую тягу или сцепление на наружной поверхности, например, на скалистой грязи или траве.

Отслеживаемые роботы
Танковые дорожки обеспечивают еще большую тягу, чем шестиколесный робот. Отслеживаемые колеса ведут себя так, как если бы они были сделаны из сотен колес, поэтому очень распространены для наружных и военных роботов, где робот должен ездить по очень сложной местности. Однако их трудно использовать в помещении, например, на коврах и гладких полах. Примеры включают Urban Robot «Урби».

Ходьба применяется к роботам
Прогулка — сложная и динамичная проблема. Было создано несколько роботов, которые могут надежно ходить на двух ногах, однако пока не были сделаны какие-либо надежные, как у человека. Было много исследований по человеческой вдохновенной ходьбе, такой как лаборатория AMBER, которая была создана в 2008 году Отделом машиностроения в Техасском университете A & M. Многие другие роботы были построены, которые ходят на более чем двух ногах, из-за того, что эти роботы значительно легче построить. Ходячие роботы могут использоваться для неровных ландшафтов, что обеспечит лучшую мобильность и энергоэффективность, чем другие методы локомоции. Гибриды тоже были предложены в таких фильмах, как I, Robot, где они ходят на двух ногах и переключаются на четыре (руки + ноги), когда идут на спринт. Как правило, роботы на двух ногах могут хорошо ходить на плоских полах и иногда могут подниматься по лестнице. Никто не может пройти по скалистой, неровной местности. Некоторые из методов, которые были опробованы:

Метод ZMP
Точка нулевого момента (ZMP) — это алгоритм, используемый роботами, такими как ASIMO Honda. Бортовой компьютер робота пытается удерживать полные силы инерции (сочетание силы тяжести Земли и ускорения и замедления ходьбы), что в точности противоположно силе реакции на полу (сила пола отталкивается назад на ногу робота). Таким образом, две силы сокращаются, не оставляя ни одного момента (сила, заставляющая робота вращаться и падать). Однако это не совсем так, как идет человек, и разница очевидна для наблюдателей-людей, некоторые из которых указали, что ASIMO идет так, как будто ему нужен туалет. Алгоритм ходьбы ASIMO не является статичным, и используется некоторая динамическая балансировка (см. Ниже). Однако для этого требуется гладкая поверхность.

Прыгая
Несколько роботов, построенных в 1980-х годах Марком Райбертом в лаборатории MIT Leg, успешно продемонстрировали очень динамичную ходьбу. Первоначально робот с одной ногой и очень маленькой ногой мог оставаться в вертикальном положении, просто прыгая. Движение такое же, как и у человека на пого-палке. Когда робот падает в сторону, он слегка подпрыгивает в этом направлении, чтобы поймать себя. Вскоре алгоритм был обобщен на две и четыре ноги. Двуногий робот был продемонстрирован бегом и даже совершил кувырки. Было продемонстрировано четвероногий, который мог рысью, бегом, темпами и связанными. Полный список этих роботов см. На странице MIT Leg Lab Robots.

Динамическая балансировка (контролируемое падение)
Более продвинутый способ для робота — это использовать алгоритм динамической балансировки, который потенциально более устойчив, чем метод Zero Moment Point, поскольку он постоянно контролирует движение робота и помещает ноги для поддержания стабильности. Этот метод был недавно продемонстрирован «Декстер-роботом» Anybots, который настолько стабилен, что он даже может прыгать. Другим примером является TU Delft Flame.

Пассивная динамика
Возможно, наиболее перспективный подход использует пассивную динамику, где импульс размахивающих конечностей используется для большей эффективности. Было показано, что полностью безжизненные гуманоидные механизмы могут идти по пологим склонам, используя только гравитацию, чтобы продвигаться вперед. Используя эту технику, роботу нужно лишь подавать небольшое количество моторной мощности, чтобы ходить по ровной поверхности или немного больше, чтобы подняться на холм. Этот метод обещает сделать ходячие роботы по меньшей мере в десять раз эффективнее, чем ZMP-ходунки, такие как ASIMO.

Другие методы локомоции

летающий
Современный пассажирский авиалайнер — по существу летающий робот, с двумя людьми, чтобы управлять им. Автопилот может управлять самолетом на каждом этапе поездки, включая взлет, нормальный полет и даже посадку. Другие летающие роботы необитаемы и известны как беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Они могут быть меньше и легче без пилота-человека на борту и летать на опасную территорию для военных миссий по наблюдению. Некоторые могут даже стрелять по целям под командованием. Также разрабатываются БПЛА, которые могут автоматически запускать цели, без необходимости в команде от человека. Другие летающие роботы включают крылатые ракеты, энтомоптер и робот-микро вертолет Epson. Роботы, такие как Air Penguin, Air Ray и Air Jelly, имеют более легкие, чем воздушные, двигатели с лопастями и управляемые сонаром.

извилистый
Несколько роботов-змей успешно разработаны. Подражая движению настоящих змей, эти роботы могут перемещаться по очень ограниченным пространствам, а это значит, что однажды они могут быть использованы для поиска людей, оказавшихся в рухнувших зданиях. Японский робот-змея ACM-R5 может даже перемещаться как на суше, так и в воде.

Катание на коньках
Было разработано небольшое количество роботов-коньков, одним из которых является многорежимное устройство для ходьбы и катания. Он имеет четыре ножки, с беспилотными колесами, которые могут либо наступить, либо бросить. Другой робот, Плен, может использовать миниатюрный скейтборд или роликовые коньки и кататься на коньках по рабочему столу.

Альпинизм
Для разработки роботов, способных подниматься по вертикальным поверхностям, было использовано несколько разных подходов. Один подход имитирует движения альпиниста человека на стене с выпячиваниями; регулируя центр масс и двигая каждую конечность, в свою очередь, чтобы получить рычаги. Примером этого является Капуцин, созданный доктором Руйсяном Чжаном в Стэнфордском университете в Калифорнии. В другом подходе используется специализированный метод пэд-пэдов для настенных лазейков, который может работать на гладких поверхностях, таких как вертикальное стекло. Примеры такого подхода включают Wallbot и Stickybot. Китайская технологическая газета сообщила 15 ноября 2008 года, что д-р Ли Хиу Юнг и его исследовательская группа New Concept Aircraft (Zhuhai) Co., Ltd. успешно разработали бионический робот gecko под названием «Speedy Freelander». По словам доктора Ли, робот gecko мог быстро взбираться вверх и вниз по различным стенам здания, перемещаться по земным и стенным трещинам и ходить вверх ногами на потолке. Он также мог приспосабливаться к поверхностям гладкого стекла, грубых, липких или пыльных стен, а также к различным типам металлических материалов. Он также может автоматически идентифицировать и обходить препятствия. Его гибкость и скорость были сопоставимы с естественным геккон. Третий подход — подражать движению змеи, поднимающейся на полюс.

Плавание (Piscine)
Вычисляется, что при плавании некоторые рыбы могут достичь пропульсивной эффективности более 90%. Кроме того, они могут ускорять и маневрировать гораздо лучше, чем любая искусственная лодка или подводная лодка, и производить меньше шума и воды. Поэтому многие исследователи, изучающие подводные роботы, хотели бы скопировать этот тип локомоции. Известными примерами являются компьютерная наука Essex Computer Science Robotic Fish G9 и роботизированный туннель, созданный Институтом полевой робототехники, для анализа и математической модели thunniform движения. Aqua Penguin, спроектированный и изготовленный Festo of Germany, копирует обтекаемую форму и движение передними «ластами» пингвинов. Festo также построил Aqua Ray и Aqua Jelly, которые эмулируют локомоцию манта-лучей и медуз соответственно.

В 2014 году iSplash-II был разработан доктором философии Ричардом Джеймсом Клапхэмом и профессором Хуошэн Ху в Университете Эссекса. Это была первая роботизированная рыба, способная превосходить настоящих карагенных рыб с точки зрения средней максимальной скорости (измеренной по длине тела / секунде) и выносливости, продолжительность которой поддерживается максимальной скоростью. Эта конструкция достигла скорости плавания 11,6BL / с (т.е. 3,7 м / с). Первая сборка, iSplash-I (2014), была первой роботизированной платформой, которая применила планетарное движение длины тела в целом, которое, как было установлено, увеличило скорость плавания на 27% по сравнению с традиционным подходом задней замкнутой формы волны.

парусный спорт
Пароходные роботы также были разработаны для проведения измерений на поверхности океана. Типичным парусным роботом является Vaimos, построенный IFREMER и ENSTA-Bretagne. Поскольку при движении парусных роботов используется ветер, энергия батарей используется только для компьютера, для связи и для приводов (для настройки руля и паруса). Если робот оснащен солнечными батареями, робот теоретически может перемещаться навсегда. Двумя основными соревнованиями роботов-парусников являются WRSC, который проводится каждый год в Европе и Sailbot.

контроль
Механическую структуру робота необходимо контролировать для выполнения задач. Управление роботом включает в себя три различные фазы — восприятие, обработку и действие (роботизированные парадигмы). Датчики дают информацию об окружающей среде или о самом роботе (например, о положении его суставов или его концевом эффекторе). Затем эта информация обрабатывается для хранения или передачи и вычисления соответствующих сигналов на приводы (двигатели), которые перемещают механический.

Фаза обработки может варьироваться по сложности. На реактивном уровне он может переводить информацию о сыром датчике непосредственно в команды привода. Сперва датчика сначала можно использовать для оценки интересующих параметров (например, положение захвата робота) из данных шумных датчиков. Из этих оценок вытекает непосредственная задача (например, перемещение захвата в определенном направлении). Методы теории управления преобразуют задачу в команды, управляющие приводами.

В более длительных масштабах времени или с более сложными задачами роботу, возможно, придется строить и рассуждать с помощью «когнитивной» модели. Когнитивные модели пытаются представить робота, мир и то, как они взаимодействуют. Распознавание образов и компьютерное зрение могут использоваться для отслеживания объектов. Методы сопоставления могут использоваться для построения карт мира. Наконец, планирование движения и другие методы искусственного интеллекта могут использоваться для определения того, как действовать. Например, планировщик может выяснить, как достичь поставленной задачи без попадания препятствий, падения и т. Д.

Уровни автономии
Системы управления могут также иметь различные уровни автономии.

Прямое взаимодействие используется для тактильных или телеоперационных устройств, и человек почти полностью контролирует движение робота.
Операторские режимы управления выполняют команды от среднего до высокого уровня, при этом робот автоматически выясняет, как их достичь.
Автономный робот может работать без взаимодействия человека в течение длительных периодов времени. Более высокие уровни автономии необязательно требуют более сложных когнитивных возможностей. Например, роботы в сборочных установках полностью автономны, но работают по фиксированному рисунку.

Другая классификация учитывает взаимодействие между контролем человека и движениями машины.

Teleoperation. Человек контролирует каждое движение, каждое изменение привода машины задается оператором.
Наблюдательный. Человек определяет общие движения или изменения положения, и машина решает конкретные движения своих приводов.
Автономность на уровне задач. Оператор задает только задачу, и робот сам справляется с ней.
Полная автономия. Машина будет создавать и выполнять все свои задачи без взаимодействия человека.