Humanoidirobotti

Humanoidirobotti on robotti, joka muistuttaa ihmisen kehoa muodoltaan. Se voi olla suunniteltu 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 joillain voi olla vain osa 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 muistuttamaan ihmisiä ulkonäöltään.

 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 erilaisissa myyteissä. Homeroksen Iliaassa Hefaistos loi kultaisia ​​palvelijattaria 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 Mulle. 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 vedellä tyhjennyksen jälkeen.

 Italia 
1400-luvulla Leonardo da Vinci käsitteli monimutkaisen mekaanisen robotin, joka oli pukeutunut panssaripukuun ja pystyi istumaan, seisomaan ja liikuttamaan käsiään itsenäisesti. Koko robottia ohjasi hihnapyörien ja kaapelien järjestelmä.

 Japani 
Japanilaiset rakensivat 1600-1800-luvuilla humanoidiautomaatteja, joita kutsutaan karakuri-nukeiksi. Ne muistuttivat nukkeja, ja niitä käytettiin viihteenä teatterissa, kodeissa ja uskonnollisissa juhlissa. Teatterinäytelmissä käytettäviä karakuri-nukkeja kutsuttiin "butai karakuriksi". Kodeissa olevia pieniä karakuri-nukkeja, ns. "zashiki kurakuri", asetettiin pöydille tanssimaan, lyömään rumpuja tai tarjoilemaan juomia. Uskonnollisissa juhlissa käytetyt nuket tunnettiin nimellä "Dashi karakuri", ja ne näyttelivät myyttien ja legendojen tapahtumia.

 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 palkkeja, putkia, painoja ja muita mekaanisia komponentteja, 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 kehittääkseen havainto- ja motorisia taitojaan. 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 proteesien kehittämiseen henkilöille, joilla on fyysisiä vammoja, kuten puuttuvia raajoja. WABIAN-2 on uusi lääketieteellinen humanoidirobotti, joka on luotu auttamaan potilaiden alaraajojen kuntoutuksessa.

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 menetelmäpohjaisiin ammatteihin, kuten vastaanottotiskien ylläpitäjät ja autoteollisuuden linjatyöntekijät. Pohjimmiltaan, koska humanoidit voivat käyttää työkaluja sekä ihmismuotoon suunniteltuja laitteita ja ajoneuvoja, ne voisivat teoriassa suorittaa minkä tahansa ihmisen tehtävän, kunhan niillä on asianmukaiset ohjelmistot. On kuitenkin valtavan monimutkaista tehdä niin.

 Viihde 
Humanoidirobotilla on ollut pitkä historia viihteen alalla, mytologian olennoista kuten Prometheuksesta teemapuistoissa käytettävän nykyaikaisen animatroniikan sovelluksiin ja fyysiseen rakentamiseen. Humanoidirobottien nykyinen käyttö ja kehitys teemapuistoissa keskittyvät stuntroniikan luomiseen. Stuntroniikka tarkoittaa humanoidirobotteja, jotka on rakennettu toimimaan näyttelijöiden stunt-kaksosina, ja suunniteltu simuloimaan todenmukaista, kytkemätöntä, dynaamista liikettä. Useat Disney-teemapuistoesitykset hyödyntävät animatroniikkarobotteja, jotka näyttävät, liikkuvat ja puhuvat pitkälti kuin ihmiset. Vaikka nämä robotit näyttävät realistisilta, niillä ei ole tietoisuutta tai fyysistä autonomiaa. Erilaisia ​​humanoidirobotteja ja niiden mahdollisia sovelluksia jokapäiväisessä elämässä nähtiin mm. indie-dokumenttielokuvassa nimeltä Plug & Pray, joka julkaistiin vuonna 2010.

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

Anturit
Anturi on laite, joka mittaa jotakin maailman ominaisuutta. Koska aistiminen on yksi kolmesta robotiikan primitiiveistä (suunnittelun ja ohjauksen lisäksi), sillä on tärkeä rooli robottiparadigmoissa. 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 sisäkorvan otoliitit ja puolipyöreät kanavat ylläpitävät tasapainoa ja suuntautumista. Lisäksi ihmisten omat proprioseptiiviset aistit (kuten kosketus, lihasten ojennus, raajan asento) auttavat suuntien kanssa. Humanoidirobottien kiihtyvyysmittarit mittaavat kiihtyvyyttä, josta nopeus voidaan laskea integroimalla; kallistusanturit mittaavat kaltevuutta; robotin käsiin ja jalkoihin sijoitetut voima-anturit mittaavat kosketusvoimaa ympäristöön; paikka-anturit mittaavat robotin todellista sijaintia (josta nopeus voidaan laskea derivoimalla); ja nopeusanturit mittaavat nopeutta.

Exteroseptiivinen

Taktiilisensorit antavat tietoja siitä, mitä on kosketettu. Shadow Handissa on 34 taktelia, jotka on järjestetty sen polyuretaani-ihon alle jokaisessa sormenpäässä. Tuntoanturit antavat myös tietoa voimista ja vääntömomenteista, jotka siirtyvät robotin ja muiden kohteiden välillä.

Tietokonenäkö viittaa tietojen käsittelyyn mistä tahansa modaliteetista, joka tuottaa kuvan sähkömagneettisen spektrin avulla. Humanoidirobotit käyttävät sitä kohteiden tunnistamiseen ja niiden ominaisuuksien määrittämiseen. Näköanturien toiminta muistuttaa eniten ihmisen silmiä. Useimmat humanoidirobotit käyttävät CCD-kameroita näköantureina.

Äänianturien avulla humanoidirobotit kuulevat puhetta ja ympäristön ääniä kuten ihmiset korvillaan. Mikrofonia robotit käyttävät yleensä puheen välittämiseen.

Toimilaitteet
Toimilaitteet ovat moottoreita, jotka vastaavat robotin liikkeestä.

Humanoidirobotit on rakennettu jäljittelemään ihmiskehoa. Niiden toimilaitteet toimivat lihasten ja nivelten lailla, vaikka niillä on erilainen rakenne. Humanoidirobottien toimilaitteet voivat olla joko sähköisiä, pneumaattisia tai hydraulisia. Näille toimilaitteille ovat ihanteellisia suuri teho, pieni massa ja pienet mitat .

 Sähköiset 
Sähkötoimilaitteet ovat humanoidirobottien suosituimpia toimilaitteita. Nämä toimilaitteet ovat kooltaan pienempiä, eikä yksittäinen sähkötoimilaite välttämättä tuota tarpeeksi tehoa ihmisen kokoiselle nivelelle. Tästä syystä on yleistä, että humanoidirobotin yksi nivel käyttää useita sähkötoimilaitteita. Esimerkki humanoidirobotista, joka käyttää sähkötoimilaitteita, on HRP-2.

 Hydrauliset 
Hydrauliset toimilaitteet tuottavat enemmän tehoa kuin sähkö- ja pneumaattiset toimilaitteet, ja niillä on kyky ohjata tuottamaansa vääntömomenttia muun tyyppisiä toimilaitteita paremmin. Niistä voi kuitenkin tulla kooltaan erittäin isoja.  Yksi ratkaisu koko-ongelmaan on elektrohydrostaattinen toimilaite (EHA). Suosituin esimerkki humanoidirobotista, joka käyttää hydraulitoimilaitteita, on Boston Dynamicsin valmistama ATLAS-robotti.

 Pneumaattiset 
Pneumaattiset toimilaitteet perustuvat kaasun puristuvuuteen. Täytettäessä ne laajenevat akselia pitkin ja tyhjentyessä ne supistuvat. Jos toinen pää on kiinteä, toinen liikkuu lineaarista rataa. Suosittu esimerkki pneumaattisesta toimilaitteesta on Mac Kibben -lihas.

 Suunnittelu ja hallinta 
Roboteissa suunnittelu on prosessi, jossa suunnitellaan robotin suorittamia liikkeitä ja ratoja. Hallinta 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.

Kävelevien kaksijalkaisten robottien vakautus pinnalla on erittäin tärkeää. Robotin painopisteen ylläpitäminen laakerialueen keskipisteen yläpuolella vakaan asennon aikaansaamiseksi voidaan valita hallinnan tavoitteeksi. Ylläpitääkseen dynaamista tasapainoa kävelyn aikana robotti tarvitsee tietoa kosketusvoimasta sekä sen nykyisestä ja halutusta liikkeestä. Tämän ongelman ratkaisu perustuu suureen käsitteeseen, Zero Moment Point (ZMP).

Toinen humanoidirobottien ominaisuus on, että ne liikkuvat, keräävät tietoa anturien avulla "tosimaailmasta" 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 suunnitteluun ja esteiden välttämiseen.

Joitakin ihmiskehon piirteitä humanoidiroboteissa ei vielä ole. Niihin kuuluu rakenteita, joiden joustavuus vaihtelee, jotka tarjoavat turvallisuutta (robotille itselleen ja ihmisille) sekä liikkeiden redundanssia, toisin sanoen lisää vapausasteita ja sen ansiosta 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 sekä lukuisten vapausasteiden asianmukaista koordinointia, esim. suorittaa samanaikaisesti useita ohjaustehtäviä 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
VuosiAiheHuomautuksian. 250 eaaAutomaattiHumanoidiautomaatti on kuvattu yksityiskohtaisesti Liezissä, jonka on kirjoittanut kiinalainen filosofi Lie Yukou.n. 50 jKrAutomaattiKreikkalainen matemaatikko Heron Aleksandrialainen kuvaili konetta, joka kaataa automaattisesti viiniä juhlavieraille.Aleksandrian sankari; Bennet Woodcroft (käänn.) (1851). Temppelin ovet avattiin tulella alttarilla. Aleksandrian sankarin pneumatiikka. Lontoo: Taylor Walton ja Maberly (verkkopainos University of Rochester, Rochester, NY). Haettu 23.4.2008.1206Ismail Al-Jazari kuvaili humanoidiautomaateista koostuvaa yhtyettä, joka Charles B. Fowlerin mukaan suoritti "yli viisikymmentä kasvo- ja vartalotoimintoa jokaisen musiikkivalinnan aikana".Fowler, Charles B. (lokakuu 1967), "The Museum of Music: A History of Mechanical Instruments", Music Educators Journal 54 (2): 45-9 Al-Jazari loi myös käsienpesuautomaatteja, joissa oli automaattisia humanoidipalvelijoita. Hänen ohjelmoitavassa "linnakellossaan" oli myös viisi muusikkoautomaattia, jotka soittivat automaattisesti musiikkia, kun niitä liikutettiin piilotetuilla nokka-akselin ohjaamilla vivuilla, jotka oli kiinnitetty vesipyörään.1495Leonardon robottiLeonardo da Vinci suunnittelee ritarin panssaripukuun pukeutuneen humanoidiautomaatin, joka toimii hihnapyörien ja kaapeleiden avulla.1738HuilusoittajaJacques de Vaucanson rakentaa Huilunsoittajan (The Flute Player), luonnollisen kokoisen automaatin, joka pystyy soittamaan erilaisia ​​melodioita huilulla.1774Pierre Jacquet-Droz ja hänen poikansa Henri-Louis loivat Piirtäjän, Musiciennen ja Kirjoittajan, poikahahmon, joka pystyi kirjoittamaan jopa 40 merkkiä pitkiä viestejä.1898Nikola Tesla esittelee julkisesti "automaattitekniikkaansa" ohjaamalla langattomasti mallivenettä sähkönäyttelyssä, joka pidettiin Madison Square Gardenissa New Yorkissa Espanjan ja Yhdysvaltojen välisen sodan huipun aikana.1921Tšekkiläinen kirjailija Karel Čapek esitteli sanan "robotti" näytelmässään R.U.R. (Rossum's Universal Robots). Sana "robotti" tulee sanasta "robota", joka tarkoittaa tšekin ja puolan kielessä "työvoimaa".1927Maschinenmensch"Kone-ihminen", gynoidi-humanoidirobotti, jota kutsutaan myös "Parodiaksi", "Futuraksi", "Robotrixiksi" tai "Maria-imitoijaksi" (näyttelijänä saksalainen Brigitte Helm), joka on yksi varhaisimmista filmeillä esiintyneistä humanoidiroboteista, kuvataan Fritz Langin elokuvassa Metropolis.1928EricSähkörobotti avaa Society of Model Engineers -näyttelyn Lontoon Royal Horticultural Hallissa Lontoossa ja kiertää maailmaa.1939ElektroWestinghouse Electric Corporationin rakentama humanoidirobotti1941-42Robotiikan kolme lakiaIsaac Asimov-lomake

 Tieteiskirjallisuudessa 
Yleinen teema humanoidirobottien kuvauksessa tieteiskirjallisuudessa liittyy siihen, kuinka ne voivat auttaa ihmisiä yhteiskunnassa tai toimia uhana ihmiskunnalle. Tämä teema pohjimmiltaan kyseenalaistaa, onko tekoäly hyvän vai pahan voima ihmiskunnalle. Humanoidirobotteja, joiden kuvataan olevan hyväksi yhteiskunnalle ja hyödyttävän ihmisiä, ovat mm. Commander Data Star Trek:ssä ja C-3PO Star Wars:ssa. Vastakohtana tälle, humanoidirobotteja, jotka esitetään pelottavina ja uhkaavina ihmisille, ovat mm. Terminaattori-elokuvien T-800 ja Transformersin Megatron.

Toinen tieteiskirjallisuudessa näkyvä teema humanoidiroboteista keskittyy persoonallisuuteen. Tietyt elokuvat, erityisesti Blade Runner ja Blade Runner 2049, tutkivat sitä, pitäisikö rakennettua, keinotekoista olentoa pitää henkilönä. Elokuvissa androidit nimeltä "replikantit" vaikuttavat täysin ihmisiltä, mutta silti heitä vältellään, eikä heillä ole samoja oikeuksia kuin ihmisillä. Tämä teema herättää yleisön myötätuntoa ja samalla herättää levottomuutta ajatuksesta, että humanoidirobotit matkivat ihmisiä liian tarkasti.

 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 

Luokka:Robotit