Notiunea de robot dateaza de peste 4 mii de ani. Omul si -a imaginat [631958]

1.Introducere

Notiunea de robot dateaza de peste 4 mii de ani. Omul si -a imaginat
dispozitive mecanizate inteligente care sa preia o parte insemnata din efortul
fizic depus. Astfel a construit jucarii automate si mecanisme inteligente sau
si-a imaginat robotii in desene, carti, filme "SF" etc.
Termenul "robot" a fost folosit in 1920 de cehul Karel Capek intr -o
piesa numita "Robotul universal al lui Kossum". Ideea era simpla: omul fac e
robotul dupa care robotul ucide omul. Multe filme au continuat sa arate ca
robotii sunt masinarii daunatoare si distrugatoare.
Dupa 1977 tendinta multor producatori a fost de a umaniza forma
robotilor si de a crea androizii.
In 1941 Isaac Asimov a folo sit cuvantul "robotizare" pentru descrierea
tehnologiei robotilor si a prezis cresterea unei industrii robotice puternice. In
1956 a luat fiinta prima companie ce realiza roboti industriali, iar in 1961
Compania de automobile "Genral Motors" "angaja" primu l robot industrial.
Incepand cu 1980 asistam la o expansiune a robotilor industriali in diverse
industrii.
Robotii ofera beneficii substantiale muncitorilor, industriilor si implicit
tarilor. In situatia folosirii in scopuri pasnice, robotii industriali p ot influenta
pozitiv calitatea vietii oamenilor prin inlocuirea acestora in spatii: periculoase,
cu conditii de mediu daunatoare omului, cu conditii necunoscute de
exploatare etc.Bazele robotilor de azi stau mult mai departe. Primele modele
de masini pot f i mai degraba numite automate (provenind din grecescul
automatos , care se misca singur). Acestea nu puteau executa decât câte un
singur obiectiv, fiind constrânse de constructie.
Matematicianul grec Archytas a construit, conform unor relatari, unul
dintre aceste prime automate: un porumbel propulsat cu vapori, care putea
zbura singur. Acest porumbel cavernos din lemn era umplut cu aer sub
presiune. Acesta avea un ventil care permitea desch iderea si închiderea
printr -o contragreutate. Au urmat multe modele dealungul secolelor. Unele
înlesneau munca iar altele deserveau la amuzamentul oamenilor.
Cu descoperirea ceasului mecanic din secolul 14 s-a deschis calea
unor posibilitati noi si complexe. Nu mult dupa aceea au aparut primele
masini, care semanau îndepartat cu robotii de azi. Posibil era însa numai ca

miscarile sa urmeze una dupa alta, fara sa fie nevoie de interven tia manuala
în acel sistem.
Dezvoltarea electrotehnicii din secolul 20 a adus cu sine si o
dezvoltare a roboticii. Printre primii roboti mobili se numara sistemul Elmer
si Elsie construit Willian Grey Walter de în anul 1948. Aceste triciclete se
puteau în drepta spre o sursa de lumina si puteau sa recunoasca coliziuni în
împrejurimi.

UNIMATE
Anul 1956 este considerat ca anul nasterii a robotului industrial.
George Devol a depus candidat: [anonimizat] "transferul programat de articole". Câtiva ani dupa aceea a construit
împreuna cu Joseph Engelberger UNIMATE . Acest robot de cca. doua tone
a fost mai întâi introdus în montarea de iconoscoape pentru televizoare,
gasindu -si apoi drumul în industria automobila. Programele pentru acest
robot au fost salvate sub forma de comenzi directionate pentru motoare p e
un cilindru magnetic. Din acest moment se introduc roboti industriali ca
UNIMATE în multe domenii ale productiei fiind permanent dezvoltati mai
departe pentru a putea face fata cererilor complexe care li se impun.

Robotii sunt realizati mai ales prin c ombinatia disciplinelor: mecanica ,
electrotehnica si informatica . Între timp s -a creat din legatura acestora
mecatronica . Pentru realizarea de sisteme autonome (care sa gaseasca
singure solutii) este necesara legatura a cât mai multor discipline de robotica .
Aici se pune accent pe legatura conceptelor de inteligenta artificiala sau
neuroinformatica (parte a informaticii) precum si idealul lor biologic
biocibernetica (parte a biologi ei). Din legatura între biologie si tehnica s -a
dezvoltat bionica .
Cele mai importante componente ale robotilor sunt senz orii, care
permit mobilitatea acestora în mediu si o dirijare cât mai precisa. Un robot
nu trebuie neaparat sa poata sa actioneze autonom, fapt pentru care se
distinge între un robot autonom si unul teleghidat

Tipuri de roboti
Termenul de robot descrie un domeniu destul de vast, cauza din care
robotii sunt sortati în multe categorii. Iata câteva din acestea:
 Robot autonom mobil
 Robot umanoid
 Robot industrial
 Robot de servi cii
 Robot jucarie
 Robot explorator
 Robot pasitor

Robot umanoid

Robotul umanoid ASIMO

Imaginea robotilor umanoizi a luat forma în literatura, mai ales în
romanele lui Isaac Asimov în anii 1940. Acesti roboti au fost pentru un timp
lung irealizabili. Pentru realizarea lor trebuiesc rezolvate multe probleme
importante. Ei trebuie sa actioneze si sa reactioneze autonom în mediu,
mobilitatea lor fiin d restrânsa la cele doua picioare ca locomotie. Pe
deasupra mai trebuie sa fie capabili de a lucra cu bratele si mâinile. Din anul
2000 probleme de baza par sa fie rezolvate (cu aparitia lui ASIMO (Honda )
de exemplu). Între timp apar dezvoltari noi în acest domeniu.
Robot ii umanoizi pot fi clasificati ca roboti pasitori.

Robot industrial
George Devol a înregistrat în anul 1954 primul patent pentru un robot
industrial . Robotii industriali din prezent nu sunt de obicei mobili. Dupa forma
si functia lor, domeniul lor operational este restrâns. Ei au fost introdusi
pentru pri ma oara pe linia de productia a General Motors în 1961 . Robotii
industriali au fost folositi prima data în Germania la lucrari de sudura
începând din 1970 .
Robotul industrial reprezinta un sistem fizic, programabil ce este capabil
sa realizeze diferite operattii si secvente de operatii de manipulare a unor
scule, piese sau subansamble.
Structura generala a robotilor industriali depinde foarte mult de
utilitatea si scopul pentru care sunt produsi. Functiile de baza sunt
reprezentate de:
 subsistemul cinematic;
 subsistemul de actionare;
 subsistemul de comanda si programare;
 subsistemul senzorial
Subsistemul cinematic cuprinde structura capabila sa execute miscarile
pentru a actiona asupra mediului inconjurator. Astfel in functie de mediul in
care este folosit, robotul poate fi dotat cu:
 roti;

 senile;
 picioare mecanice;
 diversi suporti
 benzi transportoare
Organul de executie al robotului este alcatuit dintr -un lant cinematic
inchis sau deschis oferind diverse grade de libertate prin intermediul carora
dispozitivul de lucru poate actiona:
 mana mecanica;
 dispozitiv de manevrare;
 dispozitiv de apucare

Aceste dispozitive finale ce interactioneaza direct cu prelucrarea finala
a obiectelor supuse unui ciclu de productie, pot fi inlocuite cu dispozitive
specializate pentru anumite operatii tehnologice: vopsire, sudare, testare
etc.

Forma si mecanismele de miscare a robotilor industriali depind de
sistemul de coordonate in care se realizeaza miscarea diverselor segmente.
Daca in situatiile u nor coordonate cilindrice si sferice, robotii au grade relativ
reduse de miscare, in coordonatele polare prezinta un coeficient ridicat de
antropomorfism. Ansamblu alcatuit din "brat", "antebrat" legate prin articulatii
"cot" se poate deplasa atat in plan orizontal cat si vertical. In prezent s -au
impus solutii de incheieturi cu trei axe de rotatie dotate cu servo -comenzi ce
permit o pozitionara usoara.
In ceea ce priveste dispozitivele de apucare, pe langa sistemele
clasice de apucare cu "degete" robotii industriali pot fi dotati si cu alte
modalitati de apucare: vacumatic, magnetic etc. Dispozitivele de
prehensiune trebuie sa corespunda dorintei utilizatorului, fiind o conditie
determinanta pentru succesul unei aplicatii cu roboti industriali.
O alta car acteristica importanta este reprezentata de subsistemul
senzorial al robotilor in stransa legatura cu subsistemul de comanda si
programare.
Daca in anii '80 erau folosite benzile de hartie perforate pentru
introducerea software -ului, in zilele noastre sun t folosite cipuri evoluate ce
ofera in anumite situatii putere de "decizie".
Astfel, in septembrie '94 notiunea de robot industrial cunoaste o
alternativa in sistemul de actionare: actionarea prin intermediul retelei World
Wide Web.
Astfel prin intermed iul unui computer conectat la Internet se realiza
posibilitatea de a accesa si controla roborul.
Ecranul de control oferea utilizatorului suficiente informatii pentru a
decide miscarea roborului intr -un spatiu cartesian catre urmatoarea
destinatie.
Sunt folosite cele trei coordonate x,y,z de miscare in spatiu.
Este poate unul dintre cele mai bune exemple de implementare
cinematica si senzoriala.
Experimentul de mai sus, efectuat in Australia, a avut rolul de a stimula
imaginatia si de a arata ca in aces t moment, datorita existentei unei
infrastrsucturi computerizate mondiale, caile de cunoastere sunt fara limite.

De altfel tot acest sistem este condus de roboti "inteligenti" ce pot face
milioane de interconectari pe secunda.

Robot casnic
Robotul casnic lucreaza autonom în gospodarie. Aplicatiile cunoscute sunt:
 robot aspirator (produs de expemplu de: Electrolux , Siemens sau
iRobot )
 robot de tuns gazonul
 robot de spalat ferestrele
Robot explorator

Cryobot
Robotii exploratori sunt roboti care opereaza în locatii greu accesibile
si periculoase teleghidati sau partial autonom. Acestia pot lucra de exemplu
într-o regiune aflata în conflict militar, pe Luna sau Marte . O navigare
teleghidata de pe pamânt în ultimele doua cazuri este imposibila din cauza

distantei. Semnalelor le trebuie la dus si la întors mai multe ore. În astfel de
situatii robotii trebuie sa fie programati cu mai multe tipuri de comportare, din
care ei sa aleaga pe cel mai adecvat si sa -l execute.
Acest tip de robot dotat cu senzori a fost folosit si la cercetarea puturilor
din piramide. Mai multi cryoboti au fost deja testati de NASA în Antarctica .
Acest tip de robot poate patrunde pâna la 3.600 de m prin gheata. Cryoboti
pot fi astfel folositi în cercetarea capelor polare pe Marte si Europa în
speranta descoperirii de viata extraterestra.
Tot roboti sunt numite si unitatile mobile, car e depisteaza si
dezarmoseaza sau distrug bombe sau mine (de exemplu robotul TALON ).
Exista si roboti care ajuta la cautarea de oameni îngr opati dupa cutremure.
Robotii mobili autonomi constituie un domeniu de cercetare fascinant,
motivele care impun aceasta observatie fiind multiple. In primul rand,
transformarea unui robot mobil dintr -un "calculator" pe roti, capabil doar sa
"simta" anumite proprietati ale mediului inconjurator prin intermediul
sistemului propriu de senzori, intr -un "agent inteligent", capabil sa identifice
caracteristici, sa detecteze tipare de informatie si regularitati, sa invete din
experienta, sa se auto -localizeze, sa construiasca harti si sa navigheze pe
baza acestora, necesita aplicarea simultana a mai multor discipline de
cercetare. Din acest punct de vedere, robotica mobile tinde sa inverseze
tendintele stiintifice catre o specializare din ce in ce mai pronuntata si catre
combinarea cat mai multor discipline.
O mare parte a robotilor utilizati astazi in industrie sunt de tip
manipulator (denumiti si roboti de asamblare), care opereaza intr -un spatiu
marginit si nu se pot misca.
Spre deosebire de acestia, robotii mo bili isi pot schimba locatia prin
locomotie.
In sensul larg al definitiei, un robot mobil este un sistem de timp -real
integrat (engl. embedded real -time system ), care are senzori pentru
perceptia mediului, elemente de executie pentru executia actiunilor as upra
mediului si un sistem de conducere pentru maparea perceptiei in actiune.
Perceptia, actiunea si aplicatia intre ele sunt cele trei aspecte majore
care definesc un robot mobil. In functie de modul de organizare a acestor
trei aspecte functionale, se p oate considera ca robotul mobil are un grad mai
mare sau mai redus de autonomie.

Cel mai cunoscut tip de robot mobil este vehiculul ghidat automat
(engl. AGV -Automated Guided Vehicle ). AGV -urile, utilizate pe scara larga
in industrie pentru transportul ma terialelor, se pot deplasa prin mijloace
proprii, traseul parcurs de acestea fiind in mod tipic pre -programat. Deoarece
astfel de vehicule mobile opereaza in medii pre -programate, ele sunt
inflexibile si "fragile" in operare, orice modificare neprevazuta a traseului (de
exemplu, obiecte aflate pe calea de rulare) putand conduce la o
compromitere a intregii misiuni.
Alternativa o reprezinta construirea unor roboti mobili cu autonomie in
miscare.
Autonomia se traduce prin abilitatea robotului mobil de a se de plasa in
mediul inconjurator pentru a indeplini diferite taskuri, prin abilitatea de a se
adapta modificarilor din mediu.

Evolutia robotului mobil este definita de comportarea acestuia intr -un
mediu specific,luand in considerare taskul dorit. Doar descri erea simultana
a robotului mobil, a taskului si a mediului defineste complet agentul
(triunghiul robot mobil – task – mediu).
Cand un robot mobil executa o actiune, el interactioneaza cu mediul
inconjurator deoarece este situat in acel mediu, fiind parte i ntegranta a
acestuia. Prin actiune, el schimba anumite elemente din mediu si totodata isi
schimba modul de perceptie asupra lumii (de exemplu, se muta in alt punct
de observatie). Acest nou mod de perceptie este utilizat pentru o varietate
de functii, aces tea incluzand activitati cognitive (spre exemplu, planificarea
urmatoarei actiuni) sau activitati reactive.
Functiile unui robot mobil
Din punct de vedere functional un robot mobil este format din
urmatoarele trei module functionale
 modulul de senzori are rolul de a estima viteza si pozitia robotului
mobil;
 modulul de orientare este generatorul de referinta pentru orientarea
robotului mobil in spatiu;

 modulul de conducere este subsistemul care genereaza marimile de
comanda
pentru elementele de executie pe baza datelor furnizate de modulul de
orientare
(compensare / reglare la nivelul de baza).

Tipuri de roboti mobili
Cinematica robotului mobil este definita de numarul, tipul si
aranjamentul rotilor platformei mobile. Aceastea pot fi cu actionare sau fara
actionare. Combinatiile si aranjamentul acestor diferite tipuri de roti
determina tipul modelului cinematic al robotului mobil.
Robotii mobili pot fi echipati cu tipuri diferite de roti:
 roti conventionale. Aceste roti pot fi ne -orientabile, centrate
orientabile sau orientabile ne -centrate;
 roti cu senile;
 roti sferice;
 roti “Maxwheel”.

Principalele tipuri de roboti cu roti conventionale sunt urmatoarele:
 roboti cu roti ne -orientabile
 roboti cu roti diferentiale;
 robotul de tip “triciclu”;
 robotul de tip “autoturism”.
 roboti care poseda doar roti orientabile .
 robotul cu o roata centrata orientabila si doua roti orientabile ne –
centrate;
 robotul cu n roti centrate orientabile;
 robotul cu roti orientabile ne -centrate.

Roboti cu roti ne -orientab ile

Robotul cu roti diferentiale

Robotul de tip triciclu

Robotul de tip autoturism

Roboti cu roti orientabile

Robotul cu o roata centrala orientabila si celelalte doua necentrale
neorientabile

Robotul cu n roti centrale orientabile

Robotul cu roti orientabile necentrate

Modelarea cinematica a robotilor mobili presupune determinarea
relatiilor intre parametrii de control ai robotului si comportarea robotului
mobil in spatiul sau de miscare. Aceste relatii geometrice guverneaza
comportarea robotului, descriind matematic miscarea ace stuia, fara a lua in
considerare fortele care afecteaza miscarea robotului.

Abordarea reactiva folosita in proiect

Abordarea reactiva a aparut la sfarsitul anilor '80 ca o reactie la
metodologia centralizata, deliberativa, de constructie a siste melor de
conducere pentru roboti mobili, si a condus in scurt timp la progrese
remarcabile in domeniul roboticii mobile.
A fost favorizata de doua aspecte stiintifice abordate si dezvoltate in
ultimele doua decenii. Primul dintre acestea se refera la "migr atia"
cercetarilor din domeniul inteligentei artificiale spre studiul aspectelor
biologice si psihologice cognitive, in scopul explicarii "inteligentei" naturale.
Cel de -al doilea aspect este reprezentat de scaderea costului
echipamentelor hardware si de c resterea puterii de calcul a dispozitivelor
utilizate in proiectarea fizica a robotilor mobili.
Abordarea reactiva este o organizare de tip PERCEPTIE (SENSE) –
ACTIUNE(ACT), fara planificare

Interactiunea primitivelor in abordarea reactiva
Spre deosebire de metodologia deliberativa, la care intrarea unei
primitive de tip ACTIUNE va fi intotdeauna rezultatul unei operatii de

planificare (PLAN), abordarea reactiva presupune ca intrarea unei primitive
de tip ACTIUNE va fi intotdeauna iesirea di recta a unui senzor, adica a unui
modul functional care executa o primitiva de tip PERCEPTIE (SENSE).
Sistemele de conducere reactive asigura o conexiune puternica intre
perceptie si actiune, complexitatea fiind redusa la toate nivelele functionale.
Modul "inteligent " de operare al acestur tip de structuri de conducere rezida
in organizarea interactiunilor dintre diverse procese (functii), ceea ce
conduce la asa -numitul "fenomen emergent" sau "efect" sinergetic".
Fragilitatea procesului de procesare in lan t a informatiei intalnit in cazul
abordarii deliberative este evitata prin utilizarea unei organizari de tip paralel
Taskul global de control este descompus in asa -numitele
"comportamente de indeplinire a taskului", care opereaza in paralel. Fiecare
modul comportament implementeaza un comportament complet si
functional al robotului, avand acces imediat la senzori si elemente de
executie.
Comportamentul este considerat a constitui baza inteligentei naturale.
In contextul roboticii mobile, prin comportament (engl. behavior ) se intelege
o aplicatie intre intrarile de la senzori si un tipar de actiuni motoare, utilizate
pentru indeplinirea unui task. Abordarea reactiva utilizeaza asa -numitele
comportamente reflexive (adica de tip stimul – raspuns). Stimulul est e
conectat direct cu raspunsul, pentru a produce o reactie cat mai rapida.
Arhitecturi de conducere reactive
Principiile inteligentei biologice (umane si animale) s -au dovedit a fi
extrem de importante pentru a ajuta la obtinerea unor pasi concreti in
proiectarea sistemelor de conducere pentru roboti mobili. Animalele traiesc
intr-o lume deschisa (engl. Open world ). Modul lor de comportament intr -un
asemenea mediu indica principii ce pot fi preluate de comunitatea stiintifica
pentru a evita limitarile impuse de ipoteza lumii inchise (engl. closed world
assumption ). Multe animale "simple", cum sunt insectele, pestii , broastele,
fac dovada unui comportament inteligent desi, in mod virtual, nu dispun de
creier.
Din punct de vedere stiintific comportamentul constituie componenta
fundamentala a inteligentei naturale. Comportamentele pot fi:

a) reflexive . Sunt comportame nte de tip stimul -raspuns (S -R). In acest caz
circuitul neuronal asigura faptul ca stimulul este conectat direct cu raspunsul
pentru a produce un raspuns cat mai rapid;

b) reactive . Comportamentele reactive se invata si apoi sunt consolidate,
ceea ce perm ite ca ele sa fie executate fara constientizare (de exemplu,
orice comportament care implica ceea ce in sport se numeste memorie
musculara ,cum sunt schiatul, mersul pe bicicleta, etc);

c) constiente . Comportamentele constiente au un caracter deliberativ ( de
exemplu, asamblarea unui robot, etc).

In robotica mobila sunt utilizate comportamentele de tip reflexiv
deoarece nu utilizeaza in nici un fel aspecte de cognitie. Pentru un robot
mobil acest lucru inseamna un raspuns rapid deoarece acest tip de raspuns
poate fi implementat hardware, fara a fi necesar un efort suplimentar de
calcul. Comportamentele reflexive pot fi clasificate in trei categorii:
a) reflexe . In acest caz raspunsul se mentine atat timp cat persista stimulul,
fiind proportional cu intensita tea stimulului
b) impunere . Raspunsul consta in deplasarea intr -un anumit punct, fara o
indicatie prealabila;
c) modele fixe de actiune . Raspunsul dureaza mai mult decat stimulul.
Implementarea unui sistem reactiv de conducere pentru roboti mobili
impune i dentificarea setului de comportamente necesar pentru un anumit
task.
Comportamentele pot fi "noi" sau pot utiliza alte comportamente.
Deoarece actiunea globala a robotului va emerge in urma combinarii
comportamentelor multiple arhitecturile reactive trebuie sa furnizeze
mecanisme specifice pentru

a) arbitrarea comportamentelor . Cum se decide carecomportament(e) va
(vor) fi activat(e) la fiecare moment de timp si in ce masura?
b) fuziunea comenzilor . Cum se combina rezultatul mai multor
comportamente i ntro comanda care va transmisa catre elementul de
executie?

reprezentarea minima inseamna doua lucruri:
a) definirea situatiilor senzoriale care reprezinta stimuli,
b) aplicatia situatie
actiune;

In literatura de specialitate sunt prezentate doua ti puri de arhitecturi
reprezentative pentru abordarea reactiva:

-arhitectura de tip functional .(denumirea se refera la modul in care sunt
organizate si combinate comportamentele);
-metoda campurilor de potential (in acest caz comportamentele sunt
implementat e sub forma campurilor de potential si sunt combinate prin
sumarea campurilor)

Arhitectura de tip functional

Arhitectura de tip functional (engl. subsumption architecture ) este cea
mai cunoscuta implementare reactiva a unui sistem de conducere pentru
roboti mobili. Comportamentele implementate aici sunt reflexive de tip stimul
– raspuns, fara un program extren explicit care sa le coordoneze.
Aceasta arhitectura are urmatoarele caracteristici:

-Modulele functionale (comportamentele elementa re) sunt grupate pe
nivele de competenta care reflecta o anumita ierarhie a inteligentei
(competentei).
-La nivelele inferioare sunt implementate functii de supravietuire (de
exemplu, evitare de obstacole), iar la cele superioare sunt implementate
actiuni dedicate (de exemplu, crearea hartilor de navigatie);
-Modulele din nivelele superioare pot anula (suprascrie) iesirile
comportamentelor din nivelul imediat inferior. Comportamentele aflate pe
nivele diferite opereaza in mod concurent si inde pendent, astfel incat este
necesar un mecanism pentru medierea posibilelor conflicte.
In arhitectura de tip functional colutia de mediere e de tip winner – takes
– all, unde winner -ul este intotdeauna nivelul superior;
-Nu se utilizeaza o stare inter na (adica orice tip de reprezentare
locala,persistenta, de tip model al lumi