stringtranslate.com

Телеробототехника

Робот безопасности Justus патрулирует Краков

Телеробототехника — это область робототехники, связанная с управлением полуавтономными роботами на расстоянии, в основном с использованием телевидения , беспроводных сетей (таких как Wi-Fi , Bluetooth и Deep Space Network ) или привязанных соединений. Это сочетание двух основных подполей: телеуправление и телеприсутствие .

Телеоперация

Телеуправление означает управление машиной на расстоянии. По значению оно похоже на фразу «дистанционное управление», но обычно встречается в исследовательских, академических и технических средах. Чаще всего оно ассоциируется с робототехникой и мобильными роботами, но может применяться к целому ряду обстоятельств, в которых устройство или машина управляются человеком на расстоянии. [1]

Ранняя телеробототехника (Розенберг, 1992) ВВС США – система Virtual Fixtures

Телеуправление — наиболее стандартный термин, используемый как в исследовательских, так и в технических сообществах для обозначения работы на расстоянии. Это противопоставляется « телеприсутствию », которое относится к подмножеству телеробототехнических систем, настроенных с помощью иммерсивного интерфейса, так что оператор чувствует себя присутствующим в удаленной среде, проецируя свое присутствие через удаленного робота. Одной из первых систем телеприсутствия, которая позволяла операторам чувствовать себя присутствующими в удаленной среде через все основные чувства (зрение, слух и осязание), была система Virtual Fixtures, разработанная в исследовательских лабораториях ВВС США в начале 1990-х годов. Система позволяла операторам выполнять ловкие задачи (вставлять колышки в отверстия) удаленно, так что оператор чувствовал, что он или она вставляет колышки, когда на самом деле это был робот, удаленно выполняющий задачу. [2] [3] [4]

Телеманипулятор (или телеоператор ) — это устройство, которое дистанционно управляется человеком-оператором. В простых случаях действия управляющего оператора напрямую соответствуют действиям в управляемом устройстве, как, например, в радиоуправляемой модели самолета или привязанном глубоководном аппарате. Когда задержки связи делают прямое управление нецелесообразным (например, удаленный планетоход) или желательно снизить нагрузку на оператора (например, удаленно управляемый шпионский или штурмовой самолет), устройство не будет управляться напрямую, вместо этого ему будет дана команда следовать по указанному пути. На более высоких уровнях сложности устройство может работать несколько независимо в таких вопросах, как обход препятствий, также обычно применяемых в планетоходах.

Устройства, позволяющие оператору управлять роботом на расстоянии, иногда называют телемеханической робототехникой.

Два основных компонента телеробототехники и телеприсутствия — это визуальные и контрольные приложения. Удаленная камера обеспечивает визуальное представление вида с робота. Размещение роботизированной камеры в перспективе, которая позволяет осуществлять интуитивное управление, — это недавняя технология, которая, хотя и основана на научной фантастике ( рассказ Роберта А. Хайнлайна 1942 года « Уолдо »), не принесла плодов, поскольку скорость, разрешение и пропускная способность только недавно стали адекватными задаче управления роботизированной камерой осмысленным образом. Используя дисплей, закрепленный на голове , управление камерой можно облегчить, отслеживая голову, как показано на рисунке ниже.

Это работает только в том случае, если пользователь чувствует себя комфортно с задержкой системы, задержкой в ​​реакции на движения, визуальным представлением. Любые проблемы, такие как неадекватное разрешение, задержка видеоизображения, задержка механической и компьютерной обработки движения и реакции, а также оптические искажения из-за объектива камеры и линз дисплея, закрепленных на голове, могут вызвать у пользователя « болезнь симулятора », которая усугубляется отсутствием вестибулярной стимуляции с визуальным представлением движения.

Несоответствие между движениями пользователей, такое как ошибки регистрации, задержка реакции на движение из-за чрезмерной фильтрации, недостаточное разрешение для небольших движений и низкая скорость, могут способствовать возникновению этих проблем.

Та же технология может управлять роботом, но тогда проблемы координации глаз и рук станут еще более распространенными в системе, а напряжение или разочарование пользователя могут затруднить использование системы. [ необходима цитата ]

Тенденция к созданию роботов заключалась в минимизации степеней свободы , поскольку это уменьшает проблемы управления. Недавние усовершенствования компьютеров сместили акцент на большее количество степеней свободы, позволяя роботизированным устройствам казаться более интеллектуальными и более человечными в своих движениях. Это также позволяет осуществлять более прямое телеуправление, поскольку пользователь может управлять роботом своими собственными движениями . [5]

Интерфейсы

Интерфейс телеробототехники может быть таким же простым, как обычный интерфейс MMK (монитор-мышь-клавиатура). Хотя это не иммерсивно, это недорого. Телеробототехника, управляемая интернет-соединениями, часто относится к этому типу. Ценной модификацией MMK является джойстик, который обеспечивает более интуитивную схему навигации для движения плоского робота.

Специализированные системы телеприсутствия используют головной дисплей с возможностью отображения информации для одного или двух глаз, а также эргономичный интерфейс с джойстиком и соответствующими кнопками, ползунками и триггерами.

Другие интерфейсы объединяют полностью иммерсивные интерфейсы виртуальной реальности и видео в реальном времени вместо компьютерных изображений. [6] Другим примером может быть использование всенаправленной беговой дорожки с иммерсивной системой отображения, так что робот приводится в движение идущим или бегущим человеком. Дополнительные модификации могут включать объединенные дисплеи данных, такие как инфракрасное тепловидение, оценка угроз в реальном времени или схемы устройств. [ необходима цитата ]

Приложения

Космос

Концепция телероботизированной разведки NASA HERRO (исследование человеком с использованием роботизированных операций в реальном времени) [7]

За исключением программы Apollo , большая часть космических исследований проводилась с помощью телероботизированных космических зондов . Большая часть космической астрономии , например, проводилась с помощью телероботизированных телескопов . Например, российская миссия Lunokhod-1 вывела на Луну дистанционно управляемый марсоход, который в реальном времени (с задержкой времени скорости света в 2,5 секунды) управлялся людьми-операторами на Земле. Программы роботизированного исследования планет используют космические аппараты, программируемые людьми на наземных станциях, по сути, достигая формы телероботизированной работы с большой задержкой. Недавние заслуживающие внимания примеры включают марсоходы для исследования Марса (MER) и марсоход Curiosity . В случае миссии MER космический аппарат и марсоход работали по сохраненным программам, а водители марсохода на Земле программировали ежедневную работу. Международная космическая станция (МКС) использует двухрукий телеманипулятор под названием Dextre . Совсем недавно на космическую станцию ​​был добавлен гуманоидный робот Робонавт [8] для проведения телероботехнических экспериментов.

NASA предложило использовать высокоэффективные телеробототехнические системы [9] для будущих планетарных исследований с использованием исследования человеком с орбиты. В концепции исследования Марса, предложенной Лэндисом , может быть выполнена предварительная миссия на Марс , в которой человеко-транспортное средство доставит экипаж на Марс, но останется на орбите, а не приземлится на поверхность, в то время как высокоэффективный удаленный робот будет работать в реальном времени на поверхности. [10] Такая система выйдет за рамки простой робототехники с большой задержкой и перейдет в режим виртуального телеприсутствия на планете. Одно исследование этой концепции, концепция исследования человеком с использованием роботизированных операций в реальном времени (HERRO), предположило, что такая миссия может быть использована для исследования широкого спектра планетарных направлений. [7]

Телеприсутствие и видеоконференции

iRobot Ava 500 — автономный роуминговый робот телеприсутствия

Распространенность высококачественных видеоконференций с использованием мобильных устройств, планшетов и портативных компьютеров способствовала резкому росту числа роботов телеприсутствия, которые помогают создать лучшее ощущение удаленного физического присутствия для общения и совместной работы в офисе, дома, школе и т. д., когда человек не может присутствовать там лично. Робот-аватар может двигаться или осматриваться по команде удаленного человека. [11] [12]

Существует два основных подхода, в которых используется видеоконференцсвязь на дисплее.

Традиционные системы видеоконференций и комнаты телеприсутствия обычно предлагают камеры с функцией панорамирования, наклона и масштабирования с удаленным управлением. Возможность для удаленного пользователя поворачивать голову устройства и естественным образом осматриваться во время встречи часто рассматривается как самая сильная черта робота телеприсутствия. По этой причине разработчики вышли на новую категорию настольных роботов телеприсутствия, которые концентрируются на этой самой сильной черте, чтобы создать гораздо более дешевого робота. Настольные роботы телеприсутствия, также называемые «роботами с головой и шеей» [14], позволяют пользователям осматриваться во время встречи и достаточно малы, чтобы их можно было переносить с места на место, что устраняет необходимость в удаленной навигации. [15]

Некоторые роботы телеприсутствия очень полезны для некоторых детей с хроническими заболеваниями, которые не могли регулярно посещать школу. Последние инновационные технологии могут объединять людей, и это позволяет им оставаться на связи друг с другом, что значительно помогает им преодолеть одиночество. [16]

Морские применения

Морские дистанционно управляемые аппараты (ROV) широко используются для работы в воде, которая слишком глубока или слишком опасна для водолазов. Они ремонтируют морские нефтяные платформы и прикрепляют кабели к затонувшим судам, чтобы поднять их. Обычно они прикреплены тросом к центру управления на надводном судне. Крушение Титаника было исследовано ROV, а также судном, управляемым экипажем.

Телемедицина

Кроме того, проводится много телероботехнических исследований в области медицинских приборов и минимально инвазивных хирургических систем. С помощью роботизированной хирургической системы хирург может работать внутри тела через крошечные отверстия, достаточно большие для манипулятора, без необходимости открывать грудную полость, чтобы пропустить руки внутрь.

Роботы для экстренного реагирования и обеспечения правопорядка

NIST поддерживает набор стандартов испытаний, используемых для экстренного реагирования [17] и телеробототехнических систем правоохранительных органов. [18] [19]

Другие приложения

Для работы с радиоактивными материалами используются дистанционные манипуляторы .

Телеробототехника использовалась в инсталляциях ; Telegarden — пример проекта, в котором робот управлялся пользователями через Интернет.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Корли, Энн-Мари (сентябрь 2009 г.). «Реальность роботов-суррогатов». spectrum.ieee.com. Архивировано из оригинала 15 апреля 2013 г. Получено 19 марта 2013 г.
  2. ^ Розенберг, Л. Б. (1992). «Использование виртуальных приспособлений в качестве перцептивных наложений для повышения производительности оператора в удаленных средах». Технический отчет AL-TR-0089, Лаборатория ВВС США Армстронг, авиабаза Райт-Паттерсон, Огайо, 1992 .
  3. ^ Розенберг, Л. Б. (1993). «Виртуальные приспособления: перцептивные наложения для телеробототехники». В трудах Ежегодного международного симпозиума IEEE по виртуальной реальности (1993) : стр. 76–82,.
  4. ^ Розенберг, Луис Б. «Виртуальные приспособления как инструменты для повышения производительности оператора в средах телеприсутствия». Технология телеманипуляторов и космическая телеробототехника . (1993) doi :10.1117/12.164901.
  5. ^ Миллер, Натан и др. «Захват движения с помощью инерциального зондирования для беспроводного гуманоидного телеуправления». Гуманоидные роботы, 2004 г. 4-я международная конференция IEEE/RAS. Том 2. IEEE, 2004.
  6. ^ Burdea, Grigore C. «Приглашенный обзор: синергия между виртуальной реальностью и робототехникой». IEEE Transactions on Robotics and Automation 15.3 (1999): 400-410.
  7. ^ ab Schmidt, GR; Landis, GA; Oleson, SR "Миссии HERRO на Марс и Венеру с использованием телероботизированных исследований с орбиты" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 мая 2013 г. . Получено 15 ноября 2012 г. .; см. также: Oleson, SR; Landis, GA; McGuire, M.; Schmidt, GR (2012). "Миссии HERRO на Марс с использованием телероботизированной поверхностной разведки с орбиты" (PDF) . Журнал Британского межпланетного общества . Архивировано из оригинала (PDF) 17 февраля 2013 г.и HERRO (дата обращения: 15 ноября 2012 г.)
  8. ^ "Домашняя страница Робонавта" . НАСА . Проверено 27 мая 2011 г.
  9. ↑ Адам Манн, «Почти там: почему будущее исследования космоса не такое, как вы думаете», Wired , 12 ноября 2012 г. (дата обращения: 15 ноября 2012 г.).
  10. ^ GA Landis, «Телеуправление с орбиты Марса: предложение по исследованию человеком», Acta Astronautica, т. 61, № 1, стр. 59-65; представлено в качестве доклада IAC-04-IAA.3.7.2.05, 55-й Конгресс Международной астронавтической федерации, Ванкувер, Британская Колумбия, 4–8 октября 2004 г.
  11. ↑ Рик Лербаум, «Атака роботов телеприсутствия!», InformationWeek , 11 января 2013 г. (дата обращения: 8 декабря 2013 г.).
  12. ↑ Джейкоб Уорд, «Я — босс-робот», Popular Science , 28 октября 2013 г.
  13. ^ Хониг, Зак (17 марта 2014 г.). «Телеприсутствие Ava 500 от iRobot на палочке уже в продаже (обновление: $69 500!!)». Engadget. Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Получено 4 июля 2014 г.
  14. ↑ Джон Биггс, «Revolve Robotics анонсирует Kubi — систему телеприсутствия, которая работает как ваша шея», «Tech Crunch», 6 декабря 2012 г.
  15. ^ Сэнфорд Дикерт и Дэвид Малдоу, эсквайр, «Состояние отрасли роботизированного телеприсутствия», Telepresence Options , лето 2013 г. (дата обращения: 8 декабря 2013 г.).
  16. ^ «Роботы телеприсутствия помогают хронически больным детям поддерживать социальные и академические связи в школе». robohub . Калифорнийский университет в Ирвайне. 9 сентября 2016 г. Получено 6 сентября 2019 г.
  17. ^ "Роботы для экстренного реагирования". NIST . 28 апреля 2014 г. Архивировано из оригинала 4 октября 2023 г.
  18. ^ "Стандартные методы испытаний для роботов реагирования". NIST Engineering Laboratory. 8 ноября 2016 г. Получено 4 июня 2020 г.
  19. ^ «Стандарты подкомитета ASTM E54.09 для роботов реагирования».

Внешние ссылки