Автономный робот

**Автономные роботы** — это роботы, которые совершают поступки или выполняют поставленные задачи с высокой степенью автономии, что особенно необходимо в таких областях, как освоение космоса, ведение домашнего хозяйства (например, уборка), очистка сточных вод и доставка товаров и услуг[1].

## Развитие автономных роботов

В своем развитии роботы прошли немалый путь, который начинался с простых механизмов, выполняющих одно действие по шаблону.

Современные роботы не просто намного сложнее, они требуют все меньшего контроля на каждом этапе, а в не далёком будущем роботы смогут и вовсе обходиться без вмешательства человека при выполнении большинства задач. Современная электроника давно реагирует на изменение условий быстрее и точнее, чем это сделал бы оператор. Например, положение дрона (беспилотника) в пространстве оценивают десятки и сотни раз в секунду. Стабилизация может осуществляться так быстро, что её работу видно только по результату. Легкие БЛА (беспилотные летающие аппараты) устойчиво летают в ветреную погоду, обходят препятствия, совместно действуют в составе звена и удерживают в кадре снимаемые объекты. Пока что большинство беспилотников управляются дистанционно, и конструкторы ставят первоочередной задачей добиться в ближайшем будущем их максимальной самодостаточности.

Одной из важных проблем робототехники является создание для робота возможностей справляться с возложенными на него задачами в любой среде: на земле, под водой, в воздухе, под землей или в космосе.

Полностью автономный робот должен иметь следующие способности:

- Получать и самостоятельно обрабатывать информацию об окружающей среде (Правило № 1)
- Работать больший период времени без человеческого вмешательства (Правило № 2)
- Перемещаться целиком или перемещать какую-то свою часть в пространстве без человеческой помощи (Правило № 3)
- Избегать создания опасных ситуаций для человека, имущества или для самого себя — если только это не предусмотрено спецификацией, характеристиками робота или поставленными ему задачами. (Правило № 4)

Автономный робот может учиться или получать новые умения, например, совершенствовать алгоритмы для выполнения своих задач или адаптироваться к изменениям в окружающей среде.

Автономные роботы, все же, требуют регулярного технического обслуживания, как это делают с другими машинами, если иное не предусмотрено спецификацией.

### Архитектура интеллектуальных роботов

На сегодняшний день предполагается, что в состав интеллектуального робота должны входить следующие системы:

- Исполнительные органы — это манипуляторы, ходовая часть и другие устройства, с помощью которых робот может воздействовать на предметы окружения. Причем по своей структуре это сложные технические устройства, имеющие в своем составе сервоприводы, мехатронные части, датчики, системы управления. По аналогии с живыми организмами — это руки и ноги робота.
- Датчики — это системы технического зрения, слуха, осязания, датчики расстояний, локаторы и другие устройства, которые позволяют получить информацию из окружающего мира.
- Система управления — это мозг робота, который должен принимать информацию от датчиков и управлять исполнительными органами. Эта часть робота обычно реализуется программными средствами. В состав системы управления интеллектуального робота должны входить следующие компоненты:

- Модель мира — отражает состояние окружающего мира для робота в терминах, удобных для хранения и обработки. Модель мира выполняет функцию запоминания состояния объектов в мире и их свойств.
- Система распознавания — сюда входят системы распознавания изображений, распознавания речи и тому подобное. Задачей системы распознавания является идентификация, то есть «узнавание» предметов, окружающих робота и их положения в пространстве. В результате работы компонентов системы распознавания строится модель мира.
- Система планирования действий — осуществляет «виртуальное» преобразование модели мира с целью получения какого-либо действия. При этом обычно проверяется достижимость поставленной цели. Результатом работы системы планирования действий является построение планов, то есть последовательностей элементарных действий.
- Система выполнения действий — пытается выполнить запланированные действия, подавая команды на исполнительные устройства и контролируя при этом процесс выполнения. Если выполнение элементарного действия оказывается невозможным, то весь процесс прерывается и должно быть выполнено новое (или частично новое) планирование.
- Система управления целями — определяет иерархию, то есть значимость и порядок достижения поставленных целей. Важными свойствами системы управления является способность к обучению и адаптации, то есть способность генерировать последовательности действий для поставленной цели, а также подстраивать своё поведение под изменяющиеся условия окружающей среды для достижения поставленных целей.


- Система навигации — осуществляет функцию ориентирования робота в трехмерном мире и функцию прокладки рациональных маршрутов для перемещения робота.

### Примеры прогресса в области коммерческих автономных роботов

Первым требованием к полноценной автономности робота это его способность заботиться о себе. Много роботов, которые имеют питание от батарей, на сегодня способны находить источники питания и самостоятельно подключаться к ним, а некоторые игрушки, например, *«Aibo»* от фирмы *«Sony»* также способны самоприкрепляться к своему зарядному устройству.

Самообслуживание базируется на принципе «проприоцепции» или оценки собственного внутреннего статуса. В случае с устройством зарядки батарей, например, — робот может сказать проприоцептивно (после оценки своего состояния), что у него низкий заряд батарей, а потом робот начнет пытаться найти своё зарядное устройство. Другим общим проприоцептивным сенсором является контроль за нагревом (теплообменом с окружающей средой). Усиленные проприоцептивные умения необходимы для роботов, чтобы они автономно работали у потребителей или в чрезвычайно суровых условиях.

Общие проприоцептивные сенсоры:

- Термальный сенсор;
- Датчик эффекта Холла
- Оптический сенсор
- Сенсор контакта с объектами

#### Зондирование (сканирование) среды

Экстероцепция — это оценка параметров окружающей среды. Автономные роботы должны иметь целый ряд датчиков оценки окружающей среды, чтобы выполнять свои непосредственные задачи и избегать неприятностей.

Общие экстероцептивные сенсоры:

- Сенсоры электромагнитного спектра;
- Звуковые сенсоры;
- Сенсоры прикосновения;
- Химические сенсоры (обоняние, запах)
- Температурные сенсоры;
- Сенсоры оценки расстояния до объекта;
- Сенсоры оценки положения (смещение относительно объектов)

Некоторые роботизированные газонокосилки адаптируют своё программное обеспечение, определяя скорость прорастания травы — что необходимо для достижения идеального уровня исполнения работ. А некоторые роботы-уборщики имеют детекторы уровня загрязнения, чтобы определять как легко удаляется грязь: эту информацию они анализируют, чтобы определить, насколько долго им необходимо находиться на определённой площади во время очистки пола.

#### Выполнение заданий

Следующим шагом в развитии автономного поведения становится возможность выполнения некоторых физических задач. Появление новых маленьких роботов пылесосов, таких как iRobot и Electrolux 2002 года подало большие надежды на развитие этой сферы робототехники. Хотя с уровнем интеллектуальности этих роботизированных систем пока есть некоторые проблемы, они уже могут работать и на достаточно больших площадях, и в тесных пространствах, эффективно маневрируя в помещении, так как используют массивы контактных и бесконтактных сенсоров. Оба робота оперативно рассчитывают алгоритмы работы, адаптируют его к конкретным ситуациям, и таким образом, оптимально охватывают рабочую площадь поверхности, на которой они должны работать.

Следующий уровень автономного выполнения задания требует от робота умения выполнять сложные условные задачи. Например, роботы-охранники могут быть запрограммированы для обнаружения вторжений на территорию, и реагировать определённым образом — в зависимости от того, где нарушитель и что он делает.

#### Сенсорное позиционирование и навигация внутри помещения[править | править код]

Чтобы связать своё поведение с местом (провести локализацию), роботу необходимо определить, где он находится и иметь способность передвигаться от одной установленной им точки к другой. Такая навигация началась с проводного управления в 1970-х годах и в начале 2000-х годов превратилась в триангуляцию с помощью маяков. Современные коммерческие роботы уже способны автономно перемещаться, опираясь на анализ потоковых данных непосредственно со своих сенсоров. Первыми коммерческими роботами, которые смогли это делать, были больничные роботы *«HelpMate»* от компании *«Pyxus»* и робот-охранник *«CyberMotion»*. Обе системы были разработаны в 1980-те. Эти роботы вначале использовали вручную сделанные CAD-планы пола, сонары и системы определения стен для навигации в помещении. Следующее поколение, такое как *«PatrolBot»* от фирмы *«MobileRobots»* и автономная инвалидная коляска, которые были представлены в 2004 году, имели возможность создавать собственные карты помещения, пользуясь лазерными сенсорами, и передвигаться по открытым пространствам, такими как зал или коридор. Их системы контроля оперативно меняли путь навигации, если какая-то преграда оказывалась у них на пути.

Вначале автономная навигация применяла сенсоры-планары (плоские датчики), такие как лазерные дальномеры, которые могли воспринять информацию на одном уровне. Продвинутые системы объединяют информацию от различных сенсоров для локализации (определения местоположения) и навигации. Такие системы, как *«Motivity»* могут опираться на показания различных сенсоров в различных ситуациях, в зависимости от того, какой сенсор предоставляет наиболее достоверные данные об окружающей среде. Поэтому такие роботы оперативно и самостоятельно создают для себя карту окружающей среды.

Вместо того, чтобы обеспечивать подъём по лестнице, который нуждается в высококвалифицированных специализированных аппаратных средствах, некоторые роботы, обладающие функцией навигации внутри помещений, оперируют в местах, доступных для инвалидов, контролируя лифты и электронные двери. С такими электронно-управляемыми интерфейсами роботы способны легко передвигаться внутри помещений. Автономно забираться на лестницу и открывать двери самостоятельно — это задачи, над которыми работают специалисты по робототехнике в наше время.

С развитием этих внутрипомещениевых технологий, роботы-уборщики получат возможность чистить сложную, заданную пользователем поверхность или весь пол без вмешательства пользователя. Роботы-охранники смогут совместно загонять и окружать злоумышленников, а также и отрезать им путь к бегству. Эти достижения также обеспечивают сопутствующими выгодами: внутренние карты роботов обычно предусматривают наличие «запретных зон», которые устанавливаются людьми — чтобы автономный робот не заходил в определённые регионы.

#### Сенсорное позиционирование и навигация снаружи помещения

Вне помещений Автономности легче всего достичь в воздухе, поскольку препятствий для движения (стен, углов, ступеней лестниц) здесь немного. Крылатая ракета — это очень опасный автономный робот. Беспилотники (беспилотные летающие аппараты) все больше используют в разведке. Некоторые из этих беспилотников (БЛА) способны выполнять свои задачи без какого-либо вмешательства человека, кроме, разве что, возможности приземления, где человек должен использовать удаленный контроль. Некоторые из БЛА, все же, уже имеют способность безопасно приземляться.

Автономности вне помещений очень трудно достичь, учитывая:

- трехмерность поверхности земли;
- большие различия в плотности поверхности;
- погодные особенности;
- нестабильность окружающей среды, о которой собирается информация.

В США в рамках проекта «MDARS» был разработан и создан прототип робота для эксплуатации за пределами помещения ещё в 1990-е, а с 2006-го года робот запущена в серию. Роботы *«MDARS»* от компании «The General Dynamics» могут осуществлять навигацию в полуавтономном режиме и определять вторжения, используя архитектуру программного обеспечения «MRHA», общую для всех беспилотных боевых транспортных средств. Робот *«Seekur»* был первым коммерческим вариантом автономного робота, который продемонстрировал возможности, соотносимые с *«MDARS»*, он предназначался для аэропортов, коммунальных предприятий, исправительных учреждений и МВД.

Марсоходы *«MER-A»* и *«MER-B»* (сейчас известные как *«Спирит»* и *«Оппортьюнити»*) могут определять положение солнца и способны устанавливать маршрут своего перемещения таким образом:

- создавая трехмерную карту поверхности;
- высчитывая безопасные и опасные территории поверхности с помощью сенсоров трехмерного видения;
- высчитывая оптимальный путь через безопасные территории в желаемом направлении;
- двигаться в заданном направлении;
- повторять указанные циклы задач, пока желаемый пункт назначения не будет достигнут, или же не будут найдены иные пути к пункту назначения.

Запланированные к выпуску роботы *«ESA Rover»* и *«ExoMars Rover»* будут иметь сенсоры видения, которые базируются на относительной локализации и абсолютной локализации — это облегчит навигацию роботов по безопасным и эффективным траекториям к цели с помощью:

- воспроизведения 3D-моделей поверхности, которая окружает марсоход, используя пару стереокамер;
- определения безопасных и опасных территорий и общей сложности для марсохода осуществлять навигацию по поверхности;
- вычисления эффективных путей по безопасным территориям до желаемого места назначения;
- перемещения марсохода по запланированным путям;
- создания «Навигационной карты» всех прошлых навигационных данных.

Соревнования автомобилей-роботов *«DARPA Grand Challenge»* и *«DARPA Urban Challenge»*, финансируемые правительством США, побудили к развитию новых и гораздо более совершенных способностей и возможностей автономных роботов, тогда как для воздушные автономные роботы это проходили этот этап с 1990-го года в рамках Международного конкурса летающих роботов от AUVSI (Международная ассоциация беспилотных транспортных систем).

Водные автономные роботы уже проектируют, а некоторые из них уже построены. В рамках европейской инициативы во Франции собираются построить новое поколение автономных подводных роботов. Генеральный «подрядчик» — компания *«Thales»*, а проект называется *«Asemar»*. Этот аппарат будет предназначен для подводной разведки — с помощью таких роботов, которые курсируют в заданном районе под водой, можно обнаруживать различные объекты (типа морских мин или каких-нибудь контейнеров), можно следить за подводными лодками или, скажем, за боевыми пловцами.

В перспективе — малозаметные аппараты водоизмещением в несколько тонн автономно будут осуществлять патрулирование по заданным маршрутам и при этом смогут покрывать расстояния в тысячи километров. Такие роботы находятся в толще воды, перемещаются по течениям (подробные навигационные карты уже давно «оцифрованы»), а также и с помощью собственного двигателя.