Humanoidirobotti

Humanoidrobotti on robotti, joka muistuttaa ihmisen kehoa muodoltaan. Suunnittelu voi olla tarkoitettu toiminnallisiin tarkoituksiin, kuten vuorovaikutukseen ihmisen työkalujen ja ympäristöjen kanssa, kokeellisiin tarkoituksiin, kuten bipedaalisen liikkumisen tutkimiseen tai muihin tarkoituksiin. Yleensä humanoidiroboteilla on vartalo, pää, kaksi käsivartta ja kaksi jalkaa, vaikka jotkut humanoidirobotit voivat toistaa vain osan kehosta, esimerkiksi vyötäröltä ylöspäin. Joillakin humanoidiroboteilla on myös päät, jotka on suunniteltu jäljittelemään ihmisen kasvonpiirteitä, kuten silmiä ja suuta. androidit ovat humanoidirobotteja, jotka on rakennettu esteettisesti muistuttamaan ihmisiä.

Historia 
Käsitys humanoidirobotista sai alkunsa monista eri kulttuureista ympäri maailmaa. Jotkut varhaisimmista käsityksistä automaattisesta humanoidista ovat peräisin 4. vuosisadalta eaa. kreikkalaisissa mytologioissa ja erilaisissa Kiinan uskonnollisissa ja filosofisissa teksteissä. Humanoidiautomaattien fyysisiä prototyyppejä luotiin myöhemmin Lähi-idässä, Italiassa, Japanissa ja Ranskassa.

Kreikka 
Kreikkalainen seppien jumala Hefaistos loi useita erilaisia ​​humanoidiautomaatteja erilaisiin myytteihin. Homeroksen Iliaassa Hefaistos loi kultaisia ​​palvelijattareita ja täytti heidät ihmisäänillä toimimaan puhevälineinä. Toinen kreikkalainen myytti kertoo kuinka Hefaistos loi jättimäisen pronssiautomaatin nimeltä Talos suojaamaan Kreetan saarta hyökkääjiltä.

Kiina 
3. vuosisadalla eaa. taolainen filosofinen teksti nimeltä Liezi, jonka kirjoitti kiinalainen filosofi Lie Yukou, esitti yksityiskohtaisesti idean humanoidiautomaatista. Tekstissä mainitaan Yan Shi -niminen insinööri, joka loi luonnollisen kokoisen, ihmisen kaltaisen robotin Kiinan Zhou-dynastian viidennelle kuninkaalle King Mu. Robotti rakennettiin pääasiassa nahasta ja puusta. Se pystyi kävelemään, laulamaan ja liikuttamaan kaikkia kehon osia.

Lähi-itä 
1200-luvulla muslimi-insinööri nimeltä Ismail al-Jazari suunnitteli erilaisia ​​humanoidiautomaatteja. Hän loi tarjoilijarobotin, joka annosteli juomia nestesäiliöstä ja ilmestyi automaattiovesta tarjoilemaan niitä. Toista hänen luomaansa automaattia käytettiin käsien pesuun altaan täyttämiseen vesi tyhjennyksen jälkeen.

Italia 

1400-luvulla Leonardo da Vinci käsitteli monimutkaisen mekaanisen robotin, joka oli pukeutunut panssaripukuun ja joka pystyy istumaan, seisomaan ja liikuttamaan käsiään itsenäisesti. Koko robottia ohjasi järjestelmä hihnapyörät ja kaapelit.

Japani 
Japanilaiset rakensivat 1600-1800-luvuilla humanoidiautomaatteja, joita kutsutaan karakuri-nukkeiksi. Ne muistuttivat nukkeja, ja niitä käytettiin viihteenä teatterissa, kodeissa ja uskonnollisissa juhlissa. Karakuri ' teatterinäytelmissä käytettäviä nukkeja kutsuttiin "butai karakuriksi". Kodista löytyi pieniä karakuri-nukkeja, ns. "zashiki kurakuri" asetettiin pöydille tanssimaan, lyömään rumpuja tai tarjoilemaan juomia. Uskonnollisissa juhlissa käytetyt nuket tunnettiin nimellä "Dashi karakuri", ja ne palvelivat toista myytit ja legendat.

Ranska 
Ranskalainen keksijä Jacques de Vaucanson loi 1700-luvulla merkittävän humanoidiautomaatin nimeltä "huilusoittaja". Tämä puinen, ihmisen kokoinen robotti pystyi soittamaan erilaisia melodioita huilulla. Se koostui järjestelmästä palkeista, putkista, painoista ja muista mekaanisista komponenteista, jotka simuloivat huilun soittamiseen tarvittavia lihaksia.

Sovellukset

Humanoidirobotteja käytetään nykyään tutkimusvälineinä useilla tieteenaloilla. Tutkijat tutkivat ihmisen kehon rakennetta ja käyttäytymistä (biomekaniikka) rakentaakseen humanoidirobotteja. Toisaalta yritys simuloida ihmiskehoa johtaa sen parempaan ymmärtämiseen. Ihmisen kognitio on tutkimusala, joka keskittyy siihen, kuinka ihmiset oppivat aistitiedoista saadakseen havainnon ja motoriset taidot. Tätä tietoa käytetään ihmisten käyttäytymisen laskennallisten mallien kehittämiseen, ja se on parantunut ajan myötä.

On ehdotettu, että erittäin edistynyt robotiikka helpottaa tavallisten ihmisten kehittymistä. Katso transhumanismi.

Lääketiede ja tutkimus 
Humanoidirobotit ovat arvokas resurssi lääketieteen ja biotekniikan maailmassa sekä muilla tutkimusaloilla, kuten biomekaniikassa ja kognitiivisessa tieteessä. Humanoidirobotteja käytetään monimutkaisten kehittämiseen proteesit henkilöille, joilla on fyysisiä vammoja, kuten puuttuvia raajoja. WABIAN-2 on uusi lääketieteellinen humanoidirobotti, joka on luotu auttamaan potilaiden kuntoutuksessa alaraajat.

Vaikka humanoiditutkimuksen alun perin tavoitteena oli rakentaa ihmisille parempia ortooseja ja proteeseja, tietoa on siirretty molempien tieteenalojen välillä. Muutamia esimerkkejä ovat sähkökäyttöiset jalkaproteesit hermo-lihasvammaisille, nilkka-jalka-ortoosi, biologisesti realistinen jalkaproteesi ja kyynärvarsiproteesi.

Humanoidirobotteja voidaan käyttää koehenkilöinä henkilökohtaisten terveydenhuollon apuvälineiden harjoitteluun ja kehittämiseen, ja ne toimivat lähinnä väestöryhmien, kuten vanhusten, robottihoitajina. Humanoidit soveltuvat myös joihinkin menettelyihin perustuviin ammatteihin. , kuten vastaanottotiskien ylläpitäjät ja autoteollisuuden linjatyöntekijät. Pohjimmiltaan, koska humanoidit voivat käyttää työkaluja ja käyttää ihmismuotoon suunniteltuja laitteita ja ajoneuvoja, ne voisivat teoriassa suorittaa minkä tahansa ihmisen tehtävän, kunhan heillä on asianmukaiset ohjelmistot. Sen tekemisen monimutkaisuus on kuitenkin valtava.

Viihde 
Humanoidirobotilla on ollut pitkä historia viihteen alalla Prometheusin tarinan ideasta ja ideoista teemapuistoissa käytettävän nykyaikaisen animatroniikan sovelluksiin ja fyysiseen rakentamiseen. Humanoidirobottien nykyinen käyttö ja kehitys teemapuistoissa keskittyvät stuntroniikan luomiseen. Stuntronics ovat humanoidirobotteja, jotka on rakennettu toimimaan stunt-kaksoiksi ja ne on suunniteltu simuloimaan todenmukaista, kytkemätöntä, dynaamista liikettä. Useat Disney-teemapuistoesitykset hyödyntävät animatroniikkaa robotteja, jotka näyttävät, liikkuvat ja puhuvat paljon kuin ihmiset. Vaikka nämä robotit näyttävät realistisilta, niillä ei ole kognitiota tai fyysistä autonomiaa. Erilaisia ​​humanoidirobotteja ja niiden mahdollisia sovelluksia jokapäiväisessä elämässä ovat mm. esiintyi riippumattomassa dokumenttielokuvassa nimeltä Plug & Pray, joka julkaistiin vuonna 2010.

Demonstratiivista 
Vaikka monet humanoidirobottien todelliset sovellukset ovat tutkimattomia, niiden ensisijaisena käyttötarkoituksena on esitellä nousevia teknologioita. Nykyaikaisia ​​esimerkkejä humanoidiroboteista, kuten Honda Asimo, paljastetaan yleisölle, jotta voidaan osoittaa uusia teknologisia edistysaskeleita motorisissa taidoissa, kuten kävelyssä, kiipeämisessä ja instrumentin soittamisessa. Muita humanoidirobotteja on kehitetty kotitalouskäyttöön, mutta ne ovat erinomaisia ​​vain yhden tarkoituksen taidoissa eivätkä ole kaukana itsenäisestä. Humanoidirobotit, erityisesti ne, joilla on tekoäly algoritmi, voisi olla hyödyllinen tulevissa vaarallisissa ja/tai kaukaisissa avaruustutkimuksen tehtävissä ilman tarvetta kääntyä uudelleen ja palata Maahan, kun tehtävä on suoritettu.

Anturit
Anturi on laite, joka mittaa joitain maailman ominaisuuksia. Koska aistiminen on yksi kolmesta robotiikan primitiivistä (suunnittelun ja ohjauksen lisäksi), sillä on tärkeä rooli roboottisissa paradigmoissa. Anturit voidaan luokitella sen fyysisen prosessin mukaan, jolla ne toimivat, tai sen mukaan, minkä tyyppistä mittaustietoa ne antavat ulostulona. Tässä tapauksessa käytettiin toista lähestymistapaa.

Proprioseptiivinen
Proprioseptiiviset-anturit tunnistavat humanoidin kehon ja nivelten sijainnin, suunnan ja nopeuden sekä muut sisäiset arvot.

Ihmisillä otoliitteja ja puolipyöreitä kanavia sisäkorvassa käytetään ylläpitämään tasapainoa ja suuntautumista. Lisäksi ihmiset käyttävät omia proprioseptiivisiä antureitaan (esim. kosketus, lihasten ojennus, raajan asento) auttamaan suuntautumisessaan. Humanoidirobotit käyttävät kiihtyvyysmittareita mittaamaan kiihtyvyyttä, josta nopeus voidaan laskea integroimalla; kallistusanturit kaltevuuden mittaamiseen; robotin käsiin ja jalkoihin sijoitetut voimaanturit mittaamaan kosketusvoimaa ympäristöön; paikkaanturit jotka osoittavat robotin todellisen sijainnin (josta nopeus voidaan laskea johtamalla); ja jopa nopeusantureita.

Exteroseptiivinen

Takteleita voidaan käyttää antamaan tietoja siitä, mitä on kosketettu. Shadow Hand käyttää 34 tactelia, jotka on järjestetty sen polyuretaanista tehdyn ihon alle jokaisessa sormenpäässä. Tuntoanturit antavat myös tietoa voimista ja vääntömomenteista, jotka siirtyvät robotin ja muiden kohteiden välillä.

Tietokonenäkö viittaa tietojen käsittelyyn mistä tahansa modaalisuudesta, joka käyttää sähkömagneettista spektriä kuvan tuottamiseen. Humanoidiroboteissa sitä käytetään kohteiden tunnistamiseen ja niiden ominaisuuksien määrittämiseen. Näkösensorit toimivat eniten samalla tavalla kuin ihmisen silmät. Useimmat humanoidirobotit käyttävät CCD-kameroita näkösensoreina.

Äänianturien avulla humanoidirobotit voivat kuulla puhetta ja ympäristöääniä, jotka ovat ihmisen korvia muistuttavia. Mikrofonia käytetään yleensä roboteissa puheen välittämiseen.

Toimilaitteet
toimilaitteet ovat moottoreita, jotka vastaavat robotin liikkeestä.

Humanoidirobotit on rakennettu siten, että ne jäljittelevät ihmiskehoa. He käyttävät toimilaitteita, jotka toimivat kuten lihakset ja nivelet, vaikka niillä on erilainen rakenne. Humanoidirobottien toimilaitteet voivat olla joko sähköisiä,  pneumaattinen tai hydraulinen. Näille toimilaitteille on ihanteellinen suuri teho, pieni massa ja pienet mitat .

Sähköinen 
Sähkötoimilaitteet ovat humanoidirobottien suosituimpia toimilaitteita. Nämä toimilaitteet ovat kooltaan pienempiä, eikä yksittäinen sähkötoimilaite välttämättä tuota tarpeeksi tehoa ihmisen kokoiselle nivelelle. Tästä syystä on yleistä käyttää useita sähkötoimilaitteita yhteen liitokseen humanoidirobotissa. Esimerkki humanoidirobotista, joka käyttää sähkötoimilaitteita, on HRP- 2.

Hydrauli 
Hydrauliset toimilaitteet tuottavat enemmän tehoa kuin sähkötoimilaitteet ja pneumaattiset toimilaitteet, ja niillä on kyky ohjata tuottamaa vääntömomenttia paremmin kuin muun tyyppiset toimilaitteet. Ne voivat kuitenkin tulla kooltaan erittäin isoja.  Yksi ratkaisu kokoongelman ratkaisemiseksi on elektrohydrostaattinen toimilaite (EHA). Suosituin esimerkki hydraulitoimilaitteita käyttävästä humanoidirobotista on ATLAS-robotti, jonka on valmistanut Boston Dynamics.

Pneumaattinen 
Pneumaattiset toimilaitteet toimivat kaasun puristuvuudella. Kun ne täytetään, ne laajenevat akselia pitkin ja kun ne tyhjenevät, ne supistuvat. Jos toinen pää on kiinteä, toinen liikkuu lineaarisesti rata. Suosittu esimerkki pneumaattisesta toimilaitteesta on Mac Kibben -lihas.

Suunnittelu ja valvonta 
Suunnittelu roboteissa on prosessi, jossa suunnitellaan robotin suorittamia liikkeitä ja lentoratoja. Control on näiden suunniteltujen liikkeiden ja lentoratojen todellinen toteutus. Humanoidiroboteissa suunnittelun on suoritettava kaksijalkaiset liikkeet, mikä tarkoittaa, että robottien tulee suunnitella ihmisen kaltaisia liikkeitä. Koska yksi humanoidirobottien tärkeimmistä käyttötavoista on vuorovaikutus ihmisten kanssa, on tärkeää, että humanoidirobottien suunnittelu- ja ohjausmekanismit toimivat erilaisissa maastoissa ja ympäristöissä.

Kysymys kävelevien kaksijalkaisten robottien stabiloinnista pinnalla on erittäin tärkeä. Robotin painopisteen ylläpitäminen laakerialueen keskipisteen yläpuolella vakaan asennon aikaansaamiseksi voidaan valita hallinnan tavoite. Dynaamisen tasapainon ylläpitämiseksi kävelyn aikana robotti tarvitsee tietoa kosketusvoimasta sekä sen nykyisestä ja halutusta liikkeestä. Tämän ongelman ratkaisu perustuu suureen konseptiin, Zero Moment Point (ZMP).

Toinen humanoidirobottien ominaisuus on, että ne liikkuvat, keräävät tietoa anturien avulla "todellisesta maailmasta" ja ovat vuorovaikutuksessa sen kanssa. Ne eivät pysy paikallaan kuten tehdasmanipulaattorit ja muut robotit, jotka työskentelevät erittäin rakenteellisissa ympäristöissä. Jotta humanoidit voisivat liikkua monimutkaisissa ympäristöissä, suunnittelun ja hallinnan on keskityttävä itsetörmäysten havaitsemiseen, polun suunnittelu ja esteiden välttäminen.

Humanoidiroboteissa ei vielä ole joitakin ihmiskehon piirteitä. Niihin kuuluu vaihtelevan joustavuuden omaavia rakenteita, jotka tarjoavat turvallisuutta (itselle robotille ja ihmisille) sekä liikkeiden redundanssia, eli lisää vapausasteet ja siksi tehtävien laaja saatavuus. Vaikka nämä ominaisuudet ovat toivottavia humanoidiroboteille, ne tuovat lisää monimutkaisuutta ja uusia ongelmia suunnitteluun ja hallintaan . Koko kehon hallinnan ala käsittelee näitä kysymyksiä ja käsittelee lukuisten vapausasteiden asianmukaista koordinointia, esim. suorittaa useita ohjaustehtäviä samanaikaisesti noudattaen annettua tärkeysjärjestystä.

Ihmisten ja robottien vuorovaikutusta tutkii mm. ACM:n ja IEEE:n vuosittain järjestämä "International Conference on Human-Robot Interaction". Konferenssin julkaisuissa tutkitaan humanoidirobotteja, sekä muunlaisia sosiaalisia robotteja.

Kehityksen aikajana

Tieteiskirjallisuudessa 
Yleinen teema humanoidirobottien kuvauksessa tieteiskirjallisuudessa liittyy siihen, kuinka ne voivat auttaa ihmisiä yhteiskunnassa tai toimia uhana ihmiskunnalle. Tämä teema pohjimmiltaan kyseenalaistaa, onko tekoäly ihmiskunnalle hyvän vai huonon voima. Humanoidirobotit, joiden kuvataan olevan hyviä yhteiskunta ja ihmisten hyödyt ovat Commander Data Star Trek:ssä ja C-3PO Star Wars:ssa. T-800 on vastakkaisia uvia, joissa humanoidirobotit esitetään pelottavina ja uhkaavina ihmisille. Terminaattori ja Megatron Transformersissa.

Toinen tieteiskirjallisuuden näkyvä teema humanoidiroboteista keskittyy persoonallisuuteen. Tietyt elokuvat, erityisesti Blade Runner ja Blade Runner 2049, tutkivat, pitäisikö konstruoitua, synteettistä olentoa pitää henkilönä. Elokuvissa androidit nimeltä "replicants" luodaan erottamattomasti ihmisistä, Silti heitä vältetään, eikä heillä ole samoja oikeuksia kuin ihmisillä. Tämä teema herättää yleisön myötätuntoa ja samalla herättää levottomuutta ajatuksesta, että humanoidirobotit matkivat ihmisiä liian läheisesti.

Lähteet 
Asada, H. ja Slotine, J.-J. E. (1986). Robotin analyysi ja ohjaus. Wiley. .
Arkin, Ronald C. (1998). Käyttäytymiseen perustuva robotiikka. MIT Press. .
Brady, M., Hollerbach, J. M., Johnson, T., Lozano-Perez, T. ja Mason, M. (1982), Robot Motion: Planning and Control. MIT Press. .
Horn, Berthold, K.P. (1986). Robotin visio. MIT Press. .
Craig, J. J. (1986). Johdatus robotiikkaan: mekaniikka ja ohjaus. Addison Wesley. .
Everett, H. R. (1995). Anturit mobiiliroboteille: teoria ja sovellus. AK Peters. .
Kortenkamp, ​​D., Bonasso, R., Murphy, R. (1998). Tekoäly ja mobiilirobotit. MIT Press. .
Poole, D., Mackworth, A. ja Goebel, R. (1998), Computational Intelligence: A Logical Approach. Oxford University Press. .
Russell, R. A. (1990). Robotin tuntotunnistus. Prentice Hall. .
Russell, S.J. & Norvig, P. (1995). Tekoäly: moderni lähestymistapa. Prentice-sali. Prentice Hall. .

Viitteet 

Robotit