ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ
ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΘΕΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΡΑΣΗΣ ΚΑΙ
ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΕΚΦΡΑΣΕΩΝ ΤΟΥ ΠΡΟΣΩΠΟΥ ΤΟΥ Πτυχιακή Εργασία
του
Θεοδώρου Χρήστου
Επιβλέπων: Δρ. Παχίδης Θεόδωρος
Καβάλα 2011
Αφιερωμένο στον πολυαγαπημένο
μου παππού Ευάγγελο
Η ρομποτική είναι ο κλάδος που έχει ως αντικείμενο τη μελέτη, το σχεδιασμό και τη λειτουργία των ρομπότ, καθώς και την έρευνα για την περαιτέρω ανάπτυξή τους.
Η ανάπτυξη του κλάδου της τεχνητής νοημοσύνης (artificial intelligence) κατά τη δεκαετία του 1980 άνοιξε ευρύτατες προοπτικές εφαρμογής της στη ρομποτική.
Όπως είναι γνωστό, η τεχνητή νοημοσύνη αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα πεδία έρευνας της πληροφορικής και αφορά την κατασκευή συστημάτων αυτοματισμού εφοδιασμένων με ικανότητα μάθησης, δυνατότητα κατανόησης της φυσικής γλώσσας, ικανότητα αξιολόγησης στοιχείων, λήψης αποφάσεων κ.ά. Οι σχετικές έρευνες στον τομέα της ρομποτικής αφορούν την κατασκευή ρομπότ τα οποία πέρα από τις βασικές αισθήσεις, όπως η αφή και η όραση, θα είναι εφοδιασμένα με αντιληπτικές ικανότητες (π.χ. αντίληψη σχημάτων, μορφών, εικόνων κ.λπ.), με ικανότητα διεξαγωγής λογικών συνειρμών και εξαγωγής συμπερασμάτων, καθώς και με δυνατότητες ανακατανομής δεδομένων ανάλογα με τη χρήση για την οποία ζητούνται και με ικανότητα αυτοδιόρθωσης.
Περίληψη – Συμβολή στην Επιστήμη
Στον τομέα αυτόν εμπλέκεται η υπολογιστική όραση ή Computer Vision που επιτρέπει σε μηχανές να βλέπουνε. Η όραση υπολογιστών ασχολείται με την αυτοματοποιημένη εξαγωγή χρήσιμων πληροφοριών από εικόνες ή ακολουθίες εικόνων. Το πεδίο εφαρμογών της είναι ιδιαίτερα ευρύ, αφού η εικόνα περιέχει μεγάλα ποσά πληροφορίας που μπορούν να αξιοποιηθούν ποικιλότροπα από τις μηχανές. Απώτερος στόχος είναι η κατασκευή συστημάτων τα οποία θα αντιλαμβάνονται τον ορατό κόσμο με ανθρώπινη ευφυΐα. Αν και η έρευνα στην περιοχή έχει κάνει τα τελευταία χρόνια σημαντική πρόοδο, απέχουμε ακόμα πάρα πολύ από την εκπλήρωση αυτού του οράματος.
Βασικός στόχος αυτής της πτυχιακής, είναι η μελέτη και η δημιουργία αλγορίθμων έτσι ώστε να υπάρξει μια επικοινωνία μεταξύ ρομπότ και ανθρώπου σε πραγματικό χρόνο (real time). Το robot στην αρχική του κατάσταση είναι σε αναμονή μέχρι να αντιληφθεί κάποιο ανθρώπινο πρόσωπο, από την στιγμή που γίνει αυτό, το robot κάνει έναν υπολογισμό της απόστασης μεταξύ αυτού και του ανθρώπου, έτσι ώστε να αποφασίσει εάν θα κινηθεί εμπρός ή καθόλου προς αυτόν.
Όλο αυτό γίνεται γιατί θα πρέπει να είναι σε μια συγκεκριμένη απόσταση έτσι ώστε να ανταλλάξει δεδομένα.
Θα πρέπει να αναφερθεί πως το συγκεκριμένο σύστημα μπορεί να επικοινωνήσει μονάχα με έναν συγκεκριμένο άνθρωπο. Τα δεδομένα που μπορεί να λάβει το όχημα είναι η χαρά, η έκπληξη και ο φόβος. Ανάλογα το συναίσθημα θα κάνει και την ανάλογη κίνηση.
Το τελευταίο κομμάτι είναι η εύρεση και η διατήρηση της τελικής εικόνας την οποία επεξεργάζεται η υπολογιστική μονάδα η οποία είναι τοποθετημένη πάνω στο όχημα. Η εύρεση της καταλληλότερης εικόνας γίνεται χειροκίνητα καθώς οι συνθήκες φωτισμού διαφέρουν από περιβάλλον σε περιβάλλον.
Summary- Contribution to the state of the Art
Robotics is the most modern field of the automation that deals with the study, the design, the function of robots and the research for their development. The development of the artificial intelligence field during the decade of 1980 extended the perspectives of its application in the robotics. As well known, the artificial intelligence is one of the most important research fields of computer science and deals with the construction of automation systems equipped with learning ability, potentiality of understanding the natural language, ability of data evaluation, taking decisions. Relevant researches in the robotics field deals with robots construction that besides the basic senses, such as touch and vision, will be equipped with perception abilities (e.g. perception of shapes, figures, images), with ability of making logical coherence and conduct conclusions, as well as with potentiality of data redistribution depending on their use and ability of self-correcting.
The primary target of this inclusion is the study and the creation of algorithms that are capable to develop a communication between robot and human in real time. A robot in its initial state is stand by until it perceives a human person, from the moment that this happens, the robot counts the distance between itself and the human, and so decides if it will move forward, back or not at all to the human. This happens because the robot must be in a specific distance to exchange data.
It is important to be mentioned that the particular system can communicate only with a particular human. The data that this robot can receive is joy, surprise and fear.
The robot will move based on the feeling.
The last part is the finding and the preservation of the last image, which is editing by the computing unit that is placed on the robot. The selection of the most appropriate image happens manually because the lighting condition depends on the environment.
Η σύγχρονη τεχνολογία έχει καταφέρει να διεισδύσει στις περισσότερες δραστηριότητες του σημερινού ανθρώπου. Και σε αυτό έχουν συνεισφέρει τα μέγιστα πολύ κλάδοι της επιστήμης όπως και η ρομποτική και η υπολογιστική όραση με τις οποίες έχει να κάνει η συγκεκριμένη μελέτη. Για να φτάσουμε όμως σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφερθεί ότι οι κλάδοι που έπαιξαν πρωταρχικό ρόλο είναι η τεχνητή νοημοσύνη και η μικροηλεκτρονική, οι οποίοι είναι η βάση της σημερινής τεχνολογίας. Ο Aibo και ο Nao είναι λίγα από τα robots τα οποία έχουν συνεισφέρει σε ερευνητικό επίπεδο για αυτή τη σύγχρονη τεχνολογία.
Πρόλογος
Αν και οι δύο αυτές επιστήμες έχουν προχωρήσει πάρα πολύ και οι συσκευές τους σήμερα χαρακτηρίζονται από πολύ καλά λειτουργικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά, οι δύο αυτοί κλάδοι έχουν πολλοί δρόμο ακόμη και φυσικά δεν σταματούν να βελτιστοποιούν τις ήδη υπάρχουσες λειτουργίες τους καθώς και τον εμπλουτισμό τους με επιπλέον χαρακτηριστικά. Στόχος αυτής της πτυχιακής είναι με βάση κάποιους έτοιμους αλγόριθμους τους οποίους διαθέτει η βιβλιοθήκη OpenCV, να εξάγουμε κάποια χαρακτηριστικά του προσώπου έτσι ώστε να λάβουμε την πληροφορία που θέλουμε. Η πληροφορία αυτή παίζει καθοριστικό ρόλο στην επικοινωνία μεταξύ ανθρώπου και robot.
Ευχαριστίες
Θα ήθελα πραγματικά να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή Δρ. Παχίδη Θεόδωρο για την υποστήριξη και τη βοήθεια του, καθώς και τη μεγάλη ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τέτοιο θέμα το οποίο θα παίξει καθοριστικό ρόλο για τη συνέχεια των σπουδών μου. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τη Γεωργία Σωτηράκη για την υπομονή και την υποστήριξη της. Τέλος ένα μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένεια μου.
Κεφάλαιο1 Εισαγωγή...10
Περιεχόμενα
1.1 Ρομποτική...………...………...101.1.1 Εισαγωγή...10
1.1.2 Μια ιστορική αναδρομή στην ρομποτική...10
1.1.2 Η ρομποτική στις μέρες μας...11
1.1.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση των ρομπότ....13
1.1.4 Ταξινόμηση ρομποτικών συστημάτων...14
1.1.5 Ταξινόμηση εργασίας...22
1.2 Computer Vision...22
1.2.1 Εισαγωγή………...22
1.2.2 Όραση μηχανής...23
1.2.3 Συστήματα όρασης μηχανών...24
1.2.4 Εφαρμογές συστημάτων όρασης μηχανής...25
1.2.5 Real Time...26
1.2.6 Aibo...27
1.2.7 Συστήματα αναγνώρισης μορφασμών...28
1.3 Περιγραφή εργασίας...31
Κεφάλαιο 2 Αναγνώριση Προσώπου (Face Detection) ...32
2.1 Εισαγωγή...32
2.2 Ορισμός του προβλήματος και τρόποι προσέγγισης ...34
2.3 Viola-Jones Face Detector………...36
2.3.1Εκμάθηση συναρτήσεων διαχωρισμού...39
2.3.2Διαχωριστές σε σειρά...……..40
2.4 Ανίχνευση αντικειμένων με χαρακτηριστικά τύπου Haar………....……..40
2.5 Αποκοπή...44
Κεφάλαιο 3 Ανίχνευση Ακμών...45
3.1 Γενικά...45
3.2 Ανιχνευτής ακμών 1ης Παραγώγου...45
3.3 Ανιχνευτής ακμών 2ης Παραγώγου...47
3.4 Χαρακτηριστικά σημεία του προσώπου...48
3.5 Επίδραση του θορύβου και τρόποι αντιμετώπισης...48
3.6 Gaussian...49
3.7 Προσδιορισμός σημείων ακμών με χρήση φίλτρων...51
3.8 Μέθοδοι με βάση τη χρήση ορίου (Thresholding)...52
Κεφάλαιο 4 Υλικά-Κυκλώματα-Λογισμικό Ανάπτυξης...54
4.1 M.A.V_FFD...54
4.2 Κινητήρες...54
4.3 Ρόδες...55
4.4 MD23 Motor Driver...55
4.5 Trust WB-8600R Webcam...56
4.6 I2C Πρωτόκολλο...56
4.7 Interface Module………..……….59
4.8 OpenCv...…...59
4.9 Πλατφόρμα Ανάπτυξης...…...60
Κεφάλαιο 5 Ανάλυση προγράμματος και συστήματος...61
5.1 Λογισμικό εφαρμογής...…...61
5.2 Αρχική κατάσταση συστήματος ...…...61
5.3 Λειτουργία Συστήματος...…...67
5.4 Επεξεργασία εικόνας...…...68
5.5 Εκκίνηση του Robot...……...70
5.6 Εντοπισμός σημαντικότερων σημείων...71
5.7 Λήψη απόφασης...76
Κεφάλαιο 6 Μετρήσεις χρόνων-Ποσοστά επιτυχίας...80
6.1 Μετρήσεις χρόνων απόκρισης του συστήματος...80
6.2 Ποσοστά αναγνώρισης χαρακτηριστικών...80
6.3 Ποσοστά αναγνώρισης συναισθημάτων...81
Κεφάλαιο 7 Συμπεράσματα και μελλοντικές προτάσεις...82
7.1 Συμπεράσματα...82
7.2 Μελλοντικές προτάσεις...83
Παράρτημα 1 – Λήψη και Εγκατάσταση της OpenCV...84
Βιβλιογραφία...87
Κεφάλαιο 1
Εισαγωγή 1.1 Ρομποτική 1.1.1 Εισαγωγή
Με τον όρο ρομπότ (robot) εννοούμε το σύστημα που έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει πληροφορίες από το περιβάλλον του και να προσαρμόζει τις δράσεις του.
Μπορούμε να χωρίσουμε τα ρομποτικά συστήματα σε δύο κατηγορίες: τα στατικά και τα κινούμενα. Στατικά είναι τα ρομποτικά συστήματα που έχουν ένα σταθερό σημείο αναφοράς και οι κινήσεις των στοιχείων δράσης τους βασίζονται στην αναφορά αυτή. Κινούμενα είναι τα ρομποτικά συστήματα που το σημείο αναφοράς τους μεταβάλλεται συνεχώς[8].
Γενικότερα, τα ρομποτικά συστήματα μπορούν να ελέγξουν και να μεταβάλλουν τις θέσεις των αρθρώσεων τους. Κάθε ανεξάρτητη κίνηση που μπορεί να πραγματοποιήσει ένα ρομπότ με μια από τις συσκευές δράσης του καθορίζει και ένα βαθμό ελευθερίας (DOF- Degree of Freedom).
Για τα κινούμενα ρομποτικά συστήματα υπάρχουν δυο κατηγορίες: αυτά που κινούνται με τροχούς και αυτά που κινούνται με άκρα. Επίσης, στα κινούμενα ρομποτικά συστήματα, οι βαθμοί ελευθερίας δεν είναι απαραίτητα ίδιοι με τις διαστάσεις του χώρου διατάξεων (configurations) που μπορεί να έχει το ρομποτικό σύστημα στο περιβάλλον. Για παράδειγμα, ένα αυτοκίνητο μπορεί να κινηθεί πάνω σε μια επιφάνεια και να προσεγγίσει οποιοδήποτε σημείο (Χ,Υ) με οποιαδήποτε προσανατολισμό Ζ, άρα το μοντέλο του αυτοκινήτου έχει ένα τρισδιάστατο χώρο διατάξεων (Χ,Υ,Ζ) αλλά μόνο δύο βαθμούς ελευθερίας αφού μπορεί να πάει μπρος/πίσω και να στρέψει τους δυο από τους τέσσερις τροχούς αριστερά-δεξιά.
Τέτοια ρομποτικά συστήματα ονομάζονται μη ολονομικά. Αντίθετα, ένας ρομποτικός βραχίονας έχει ίδια διάσταση διατάξεων με τους βαθμούς ελευθερίας.
Τέτοια συστήματα ονομάζονται ολονομικά. Το μοντέλο του αυτοκινήτου είναι μη ολονομικό (nonholonomic), ενώ ο βραχίονας είναι ολονομικός (holonomic).
1.1.2 Μια ιστορική αναδρομή στην ρομποτική
Η πρώτη εμπορική εφαρμογή ενός βιομηχανικού ρομπότ έλαβε χώρα το 1961, όταν ένα ρομπότ χρησιμοποιήθηκε στη φόρτωση και εκφόρτωση μιας μηχανής χυτηρίου (die casting), δηλαδή σε μια εργασία ιδιαίτερα δυσάρεστη για τον άνθρωπο. Πολλές από τις πρώτες ρομποτικές εγκαταστάσεις αφορούσαν εφαρμογές όπου υπήρχε μεγάλος κίνδυνος ή δυσφορία για τους ανθρώπους. Τα πρώτα αυτά ρομπότ δεν εκτελούσαν τις εργασίες τους πιο οικονομικά από τους ανθρώπους.
1920: Το δραματικό έργο του συγγραφέα Τσέχου Karel Capek R.U.R. (Rossum’ s Universal Robots), εισάγει τη λέξη robot.
1950: O Isaac Asimov γράφει το βιβλίο Ι Robot που περιλαμβάνει εννέα μικρές ιστορίες σχετικά με ρομπότ.
1954: Ο George Devol Jr. καταθέτει αίτηση ευρεσιτεχνίας για μια προγραμματιζόμενη συσκευή μεταφοράς ή ρομποτικό χέρι.
1958: Ο Devol δίνει άδεια λειτουργίας σε διάφορους κατασκευαστές.
Προκαταρτικές προδιαγραφές που καθορίζονται για το πρώτο ρομπότ Unimate, από τη συνεργασία των Devol και JF Engelberger. Η εταιρία AMF ξεκινάει ένα έργο έρευνας και ανάπτυξης για το Versatran.
1962: H AMF παρουσιάζει το Model 102, μια συσκευή μεταφοράς συνεχούς τροχιάς, και το Model 102, μια συσκευή μεταφοράς σημείου προς σημείο, ενώ τον ίδιο καιρό, η Unimade ετοιμάζει το πρωτότυπο MARK I για δοκιμές στην ύπαιθρο.
1965: Η AMF δίνει άδεια λειτουργίας σε δύο Ευρωπαίους κατασκευαστές και ξεκινάει την ανάπτυξη ενός χαμηλού κόστους ρομποτικού συστήματος Versatran για εφαρμογές στερεάς κατάστασης (solid state applications).
1966: H Verastran παρουσιάζει το Model 301, ένα ρομπότ εφαρμογών στερεάς κατάστασης για λειτουργία σημείου προς σημείου.
1967: Η Unimate παρουσιάζει το Mark II, 2000. Η εμπειρία από το Mark II 1900, βασίζεται σε 70 ρομποτικές εγκαταστάσεις. Εισάγεται στην Ιαπωνία το πρώτο ρομπότ και ένα AMF Verastran χρησιμοποιείται σε εφαρμογή βαφής με ψεκασμό.
1968: Η AMF Verastran παρουσιάζει το ρομπότ σημείου προς σημείο MODEL 302, στην Ιαπωνία κατασκευάζονται δύο ρομπότ με σερβομηχανισμό και κινήσεις Verastran και το πρώτο Unimate εισάγεται από την ιαπωνική εταιρία Kawasaki Heavy Industries.
1969: Το πρώτο Unimate ρομπότ εγκαθίσταται στην Nissan Automobile Factory.
1970: Η Unimate παρουσιάζει το πρώτο βιομηχανικό ρομπότ με έξι βαθμούς ελευθερίας και η AMF επιδεικνύει το βελτιωμένο ρομπότ Model 401, συνεχούς τροχιάς. Σχηματίζεται η ιαπωνική AMF Japan Ltd.
1971: Ιδρύεται ο Σύνδεσμος Ιαπωνικών Βιομηχανικών Ρομπότ (Jira).
1972: Η IBM αναπτύσσει το καρτεσιανό ρομποτικό βραχίονα 7565.
1973: Η Καναδική κυβέρνηση και Hayes-Dana κατασκευάζουν τρία πρωτότυπα βιομηχανικά ρομπότ. Η ρομποτική βιομηχανία ASEA αναπτύσει ένα πλήρως ηλεκτροκινούμενο ρομπότ.
1976: Η Cincinnati Milacron (CM) εισέρχεται στην αγορά βιομηχανικών ρομπότ.
1978: Η General Motors υπογράφει συμβόλαιο με την Unimate για την κατασκευή του ρομπότ PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly).
1980: Σχηματίζονται οι εταιρίες Automatrix Inc και Cypotech, προιόν αμοιβαίας συνεργασίας μεταξύ της Rnsburg και της Renault.
1982: H GE υπογράφει συμφωνία με τη VW και Hitachi για την πώληση των ρομπότ τους στις ΗΠΑ. Η GM και η FANUC υπογράφουν συμφωνία για την κατασκευή ρομπότ στις ΗΠΑ. Η Westinghouse εξαγοράζει τη Unimation.
1.1.3 Η ρομποτική στις μέρες μας
Με την εξέλιξη της ρομποτικής τεχνολογίας, το πεδίο εφαρμογών των ρομπότ στην βιομηχανία διερευνήθηκε και μαζί με αυτό και οι αιτιολογίες για τη χρήση τους. Σήμερα έχει επικρατήσει πλέον ο όρος 4D, από το ακρώνυμο των λέξεων Dull, Dirty, Dangerous και Difficult, δηλαδή ανιαρό, ακάθαρτο, επικίνδυνο και δύσκολο, για να περιγράψει το είδος των εργασιών όπου ευνοείται η χρήση των ρομπότ. Τα ρομπότ σήμερα χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που προσφέρουν σαφές
οικονομικό πλεονέκτημα και καλύτερα αποτελέσματα έργου σε σύγκριση με τον άνθρωπο. Σε πολλές περιπτώσεις, τα ρομπότ μπορούν να εκτελέσουν εργασίες σε σημαντικό χαμηλότερο κόστος σε σύγκριση με το καθαρό εργατικό κόστος.
Τα σημερινά ρομπότ δεν έχουν ικανότητα κρίσης, ευελιξίας ή επιδεξιότητας όπως ο άνθρωπος, αλλά παρέχουν το ξεχωριστό πλεονέκτημα της ικανότητας επιτέλεσης επαναληπτικών έργων με μεγάλο βαθμό συνέπειας, το οποίο οδηγεί σε βελτιωμένη ποιότητα προϊόντος. Η βελτίωση στη συνέπεια είναι ουσιαστική για την αιτιολόγηση χρήσης των ρομπότ σε εφαρμογές όπως η βαφή με ψεκασμό, η ηλεκτροσυγκόλληση και η επιθεώρηση αντικειμένων.
Ίσως η επιστημονική φαντασία δημιούργησε πρόωρες προσδοκίες – και ανησυχίες παράλληλα – για την επερχόμενη εποχή των ρομπότ, που φάνηκε τελικά να καθυστερεί. Όμως τώρα πια, μετά από άπειρες δοκιμές και αποτυχίες που οδήγησαν σε ποικίλες βελτιώσεις σε πολλές χώρες του κόσμου, τα ρομπότ φαίνεται πως έχουν γίνει σαφώς εξυπνότερα και ικανότερα: η ώρα τους να εξαπλωθούν (για να μας βοηθήσουν στην καθημερινή μας ζωή, όχι να μας κατακτήσουν!) δεν είναι μακριά.
Ο «Τιτάν», προϊόν της γερμανικής εταιρίας Κuka, είναι το δυνατότερο ρομπότ στον κόσμο. Μπορεί να σηκώσει μια BMW στον αέρα με το ένα του χέρι, να την κάνει μια στροφή και να την ακουμπήσει ξανά στο ίδιο ακριβώς σημείο, χωρίς το παραμικρό τρέμουλο. Ψηλός όσο μια καμηλοπάρδαλη και ικανός να σηκώσει 1.000 κιλά βάρος, πέρα από την αυτοκινητοβιομηχανία, απασχολείται στον κατασκευ- αστικό τομέα, όπου σηκώνει τεράστια μπλοκ τσιμέντου ή ράβδους χάλυβα.
Από την άλλη, υπάρχουν μικρόσωμα ανθρωποειδή ρομπότ, όπως το ύψους 1,4 μέτρων ρομπότ Partner (Συνεταίρος) της ΤΟΥΟΤΑ, πολύ πιο ευέλικτο, που αντί να είναι βιδωμένο στο πάτωμα, όπως ο «Τιτάν», κάνει βόλτες σε δύο πόδια, ενώ μπορεί ακόμα και να τρέξει λίγο. Διαθέτει πέντε ευκίνητα δάκτυλα στα δύο του χέρια, με τα οποία παίζει ακόμα και βιολί!
Το κόστος τους έχει πλέον πέσει δραματικά σε σχέση με τα ανθρώπινα ημερομίσθια, γεγονός που έχει αυξήσει τον αριθμό τους σε πάνω από 1 εκατ.
διεθνώς. Τα περισσότερα ρομπότ κατασκευάζονται στην Ευρώπη και την Ιαπωνία, ενώ τα μισά περίπου «δουλεύουν» στην Ασία. Η αυτοκινητοβιομηχανία, που πρωτοπόρησε στην εισαγωγή τους, συνεχίζει να απασχολεί περίπου το 60% του συνόλου.
Σήμερα πια, χάρη στις τεχνολογικές προόδους στην πληροφορική και την τεχνητή νοημοσύνη, τα πιο σύγχρονα ρομπότ έχουν πολύ εξελιγμένα συστήματα που τους επιτρέπουν να βλέπουν, να αισθάνονται, να κινούνται και να εργάζονται μαζί. Οι μηχανικοί των ρομπότ αποκαλούν τη νέα επιστήμη «μηχατρονική» (mechatronics), δηλαδή την ένωση της μηχανικής, της οπτικής, της ηλεκτρονικής και της πληροφορικής. Ορισμένα εργοστασιακά ρομπότ μάλιστα είναι αρκετά έξυπνα για να τα απελευθερώνουν από τους κλωβούς ασφαλείας τους και να τα αφήνουν να εργάζονται μαζί με τους ανθρώπους. Και σταδιακά, όσο προοδεύουν, τα ρομπότ
μετακινούνται από τα εργοστάσια στα γραφεία και τα σπίτια, στον τομέα των υπηρεσιών.
Ήδη μερικά μονο-λειτουργικά ρομπότ, που κάνουν ένα δηλαδή πράγμα, είναι γνωστά: καθαρίζουν το πάτωμα ή κόβουν το γρασίδι ή φυλάνε το σπίτι όταν οι ένοικοι λείπουν. Σε μερικές κλινικές μεταφέρουν φάρμακα ή ιατρικούς φακέλους ή καθαρίζουν τζάμια. Στο στρατό ήδη χιλιάδες ρομπότ «υπηρετούν», όπου εξουδετερώνουν βόμβες, κάνουν αναγνωριστικές πτήσεις στον αέρα ή υποβρύχιες περιπολίες μέσα στη θάλασσα. Συνήθως δεν έχουν ανθρωποειδή εμφάνιση, μπορεί για παράδειγμα να μοιάζουν με έντομα. Αλλά και τα ρομπότ στα σπίτια δεν είναι ανάγκη να είναι πάντα ανθρωποειδή. Μπορεί π.χ. να μοιάζουν μια αναπηρική καρέκλα που μεταφέρει ένα άτομο με ειδικές ανάγκες.
1.1.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση των ρομπότ
Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω τα ρομπότ έχουν αντικαταστήσει τον άνθρωπο σε πολύ δύσκολες συνθήκες εργασίας. Τα πλεονεκτήματα που μας προσφέρουν αυτές οι μηχανές είναι:
Πλεονεκτήματα:
1. Ασφάλεια των εργαζομένων από:
i. Επικίνδυνα περιβάλλοντα.
ii. Τοξικά αέρια.
iii. Υψηλές Θερμοκρασίες.
iv. Ραδιενέργεια.
v. Φόρτωση και εκφόρτωση επικίνδυνων εργαλείων.
2. Υψηλότερη παραγωγικότητα i. 24ωρη λειτουργία.
ii. Υψηλότερη ταχύτητα λειτουργίας στις περισσότερες εφαρμογές.
iii. Λιγότερα σφάλματα που έχουν σαν αποτέλεσμα λιγότερα απορριπτέα κομμάτια ή κατεστραμμένες μηχανές.
iv. Ομοιόμορφη ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων.
3. Ευελιξία παραγωγικής μονάδας
i. Μικρότερος χρόνος προσαρμογής σε αλλαγές της μονάδας.
ii. Ευκολότερη αντιμετώπιση των αλλαγών.
iii. Ικανότητα λειτουργίας υπό ασυνήθιστους προσανατολισμούς, όπως με προσάρτηση στην οροφή ή στον τοίχο.
4. Δυνατότητα εργασίας υπό αντίξοες συνθήκες (μη εφικτές από ανθρώπους) i. Υποθαλάσσιες και διαστημικές έρευνες / επιδιορθώσεις.
ii. Ηφαίστεια.
Μειονέκτηματα:
1. Δυσκολία προγραμματισμού ανάλογα με την εφαρμογή.
2. Σχετικά μικρή ταχύτητα λειτουργίας ειδικά για σερβοελεγχόμενα συστήματα συνεχούς τροχιάς.
3. Η ακρίβεια τοποθέτησης των ρομποτικών συνιστωσών περιορίζεται από τον
¨τζόγο¨ στις ρομποτικές αρθρώσεις και την ευκαμψία ή «κύρτωση» των ρομποτικών συνδέσεων. Όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο σε σχέση με το μέγεθος του ρομπότ, τόσο μεγαλύτερο είναι το πρόβλημα αυτό.
4. Κόστος εγκατάστασης, συντήρησης, εκμάθησης, κλπ.
1.1.5 Ταξινόμηση ρομποτικών συστημάτων
Η ταξινόμηση των ρομπότ αποτελεί τον οδηγό για τη σύγκριση ρομπότ παρόμοιων ιδιοτήτων και είναι απαραίτητη για την επιλογή του κατάλληλου ρομπότ για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.
Αυτό που θα πρέπει να μελετήσουμε είναι η αρχή λειτουργίας, η μέθοδος έλεγχου κίνησης και ο γεωμετρικός σχηματισμός.
1. Αρχή λειτουργίας i. Ρομπότ Σταθερής Στάσης
Το ρομπότ κατά την μετακίνηση του έχει τον έλεγχο μόνο των σημείων στάσης, αλλά όχι τον έλεγχο των ενδιάμεσων σημείων της τροχιάς. Κάθε άξονας έχει ένα προκαθορισμένο σταθερό μηχανικό όριο στο κάθε άκρο της έκτασης του και μπορεί να σταματάει μόνο στα όρια αυτά. Ρομπότ αυτού του τύπου είναι εξειδικευμένων εφαρμογών και για αυτό το λόγο όχι διαδεδομένα[8].
ii. Σερβοελεγχόμενα Ρομπότ
Ο τύπος αυτός κινείται από σερβομηχανισμούς, δηλαδή κινητήρες των οποίων το σήμα κίνησης είναι συνάρτηση της διαφοράς μεταξύ της επιθυμητής και της μετρούμενης (πραγματικής) θέσης. Ένα ρομπότ αυτού του τύπου έχει τη δυνατότητα να κινείται μέσα από ένα πραγματικά άπειρο αριθμό σημείων κατά την
εκτέλεση μιας τέτοιας προγραμματισμένης τροχιάς. Το σύνολο των σημείων προκύπτει από ένα συνδυασμό των επιμέρους θέσεων των αρθρώσεων. Εάν, για παράδειγμα, ένα ρομπότ έχει τρεις αρθρώσεις και κάθε άρθρωση μπορεί να πετύχει 100 διαφορετικές μετατοπίσεις, τότε το άκρο του χειριστή μπορεί να πετύχει 1000000 διαφορετικές θέσεις. Τα ρομπότ αυτά είναι πιο ακριβά και πιο σύνθετα στη λειτουργία, τον προγραμματισμό και τη συντήρηση από τα ρομπότ σταθερής στάσης [8].
2. Μέθοδοι Ελέγχου Κίνησης
i. Ρομπότ Σημείου – προς – Σημείο (Point-to-Point Robots)
Με αυτή τη μέθοδο ελέγχου κίνησης, ένα ρομπότ προγραμματίζεται από το χρήστη ώστε να κινηθεί από μια θέση στην επόμενη. Οι ενδιάμεσες τροχιές μεταξύ των σημείων δεν μπορούν να προσδιορισθούν. Σε μια τέτοια ακολουθία κινήσεων, το ρομπότ κινείται σε μια προσδιορισμένη θέση, σταματάει και εκτελεί μια λειτουργία, κατόπιν κινείται σε μια άλλη προσδιοριζόμενη θέση, σταματάει, κ.ο.κ. Η τροχιά του ρομπότ και η ταχύτητα κατά την μετακίνηση από τη μια θέση στην επόμενη, γενικά δεν έχει σημασία και συνήθως δεν προγραμματίζεται, αλλά αποτελεί εσωτερική λειτουργία του ελεγκτή.
Στον τρόπο λειτουργίας σημείου-προς-σημείου, ένα ρομπότ εκτελεί χρήσιμο έργο μόνο όταν όλοι οι άξονες είναι σε στάση στις επιθυμητές θέσεις του χώρου εργασίας. Οι περισσότερες εργασίες χειρισμού αντικειμένων και ορισμένες εργασίες χειρισμού εργαλείων εκτελούνται κατ’ αυτόν τον τρόπο. Όλα τα ρομπότ σταθερής στάσης και ορισμένα σερβοελεγχόμενα ρομπότ λειτουργούν με αυτόν τον τρόπο[8].
ii. Ρομπότ Συνεχούς Τροχιάς
Ο έλεγχος συνεχούς τροχιάς είναι ένας τύπος ρομποτικού ελέγχου κατά τον οποίο το ρομπότ επαναλαμβάνει την κίνηση μέσα από διδαγμένα σημεία σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, και τα οποία έχουν προγραμματιστεί σε μια σταθερή χρονική βάση κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας. Τα σημεία διδασκαλίας καταγράφονται από τη μονάδα ελέγχου καθώς το ρομπότ οδηγείται μέσα από μια επιθυμητή τροχιά, διαβάζοντας τους κωδικοποιητές των αρθρώσεων, δηλαδή τη θέση του κάθε άξονα σε σταθερή χρονική βάση. Στη συνέχεια, ένας αλγόριθμος επανάληψης επιχειρεί να επαναλάβει την κίνηση αυτή. Έλεγχος συνεχούς τροχιάς μπορεί επίσης να επιτευχθεί με την παρεμβολή μιας επιθυμητής καμπύλης τροχιάς μεταξύ των διδαγμένων σημείων.
Τα ρομπότ που λειτουργούν κατ΄ αυτόν τον τρόπο, μπορούν να εκτελέσουν χρήσιμο έργο ενώ όλοι οι άξονες τους βρίσκονται σε ταυτόχρονη, συντονισμένη κίνηση και με διαφορετική ταχύτητα, προκειμένου το εργαλείο να διαγράψει την επιθυμητή τροχιά. Η τροχιά του βραχίονα προγραμματίζεται με άμεσο τρόπο ή
υπολογίζει ο ελεγκτής τη διαδρομή μεταξύ διαδοχικών σημείων. Ορισμένες εργασίες χειρισμού αντικειμένων και εργαλείων εκτελούνται κατ΄ αυτόν τον τρόπο.
Οι λειτουργίες συνεχούς τροχιάς μπορούν να εκτελεσθούν μόνο από σερβοελεγχόμενα ρομπότ.
3. Γεωμετρικός Σχηματισμός
Ένα τρίτο σχήμα ταξινόμησης βασίζεται στο γεωμετρικό σχηματισμό του ρομποτικού συστήματος. Στους περισσότερους ρομποτικούς βραχίονες, οι τρεις πρώτες αρθρώσεις, αυτές δηλαδή που βρίσκονται πλησιέστερα στη ρομποτική βάση, συνήθως χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση του άκρου του βραχίονα σε ένα σημείο στο χώρο, ενώ οι τελευταίες (τρεις ή λιγότερες) αρθρώσεις σχηματίζουν τον καρπό (wrist), ο οποίος είναι υπεύθυνος για τον προσανατολισμό του άκρου ή του τελικού στοιχείου δράσης. Ανάλογα με το σύστημα συντεταγμένων των τριών πρώτων βαθμών ελευθερίας τα ρομπότ ταξινομούνται σε καρτεσιανά ή ορθογώνια, κυλινδρικά, σφαιρικά ή πολικά και αρθρωτά. Εξάλλου, ανάλογα με την εμφάνιση τους και τη γεωμετρία του συνολικού μηχανισμού, τα ρομπότ μπορούν να χαρακτηρισθούν ως ανθρωπομορφικά, SCARA ή gantry.
Μια εναλλακτική μορφή γεωμετρικού σχηματισμού είναι τα παράλληλα ρομπότ, τα οποία είναι κλειστές κινηματικές αλυσίδες (closed kinematic chains) και χρησιμοποιούνται σε εξειδικευμένες εφαρμογές. Ιδιαίτερο επίσης ενδιαφέρον παρουσιάζουν και τα ρομποτικά χέρια (robotic hands), τα οποία επίσης θεωρούνται ρομποτικοί μηχανισμοί και χρησιμοποιούνται για προηγμένους χειρισμούς αντικειμένων.
Υπάρχουν επίσης σύνθετα ρομποτικά συστήματα τα οποία δεν έχουν σταθερή βάση, αλλά μπορούν να κινούνται, αυξάνοντας κατ΄ αυτόν τον τρόπο τον ωφέλιμο χώρο δράσης τους. Τα κινητά (mobile) ρομπότ αποτελούν μια ξεχωριστή κατηγορία και συμπεριλαμβάνουν τα βαδίζοντα (walking) και τα κυλιόμενα (rolling)[8].
Οι παραπάνω κατηγορίες γεωμετρικών σχηματισμών εξετάζονται στη συνέχεια.
i. Ορθογώνια Ρομπότ (Rectangular Robots)
Είναι επίσης γνωστά ως ορθογραμμικά (rectilinear) ή ρομπότ ορθογωνίων, καρτεσιανών ή ορθογραμμικών συντεταγμένων. Κινούνται σε ευθείες γραμμές, πάνω κάτω και μέσα έξω. Οι βαθμοί ελευθερίας του βραχίονα ορίζονται από το καρτεσιανό σύστημα των αξόνων. Τα ρομπότ αυτά συνήθως δεν διαθέτουν ελεγχόμενη λογική για συντονιζόμενη κίνηση των αρθρώσεων. Ένα ορθογώνιο ρομπότ σχηματίζεται με τη συναρμολόγηση ενός οριζόντιου βραχίονα πάνω σε ένα κάθετο άξονα ανύψωσης ο οποίος τοποθετείται σε γραμμική μεταφορική βάση, δημιουργώντας έτσι ένα ρομπότ Χ-Υ-Ζ.
Στα πλεονεκτήματα των καρτεσιανών ρομπότ συγκαταλέγονται η υψηλή διακριτική ικανότητα τους και η μεγάλη ακρίβεια, η εύκολη αποφυγή εμποδίων και
συνεπώς η πρόληψη συγκρούσεων και η μη επίδραση φορτίων βαρύτητας τα οποία επιδρούν στη ακρίβεια, που συνεπάγεται ευκολία στον έλεγχο της κίνησης των αρθρώσεων.
Τα βασικά μειονεκτήματα των καρτεσιανών ρομπότ είναι το μεγάλο δομικό πλαίσιο που διαθέτουν, το οποίο απαιτεί μεγάλη επιφάνεια δαπέδου για την εγκατάσταση, ο συγκριτικά περιορισμένος χώρος εργασίας, η δυσκολία συνεργασίας με άλλους ρομποτικούς βραχίονες σε κοινό χώρο εργασίας και η πολυπλοκότητα του μηχανικού σχεδιασμού για τρεις γραμμικές κινήσεις.
ii. Κυλινδρικά Ρομπότ (Cylindrical Robots)
Είναι επίσης γνωστά ως ρομπότ κυλινδρικών συντεταγμένων ή ρομπότ στήλης (columnar robot). Δομούνται γύρω από μια στήλη που κινείται σύμφωνα με ένα κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων, στο οποίο η θέση κάθε σημείου προσδιορίζεται σε συνάρτηση με τη γωνία περιστροφής της βάσης, της ακτινικής διάστασης και του ύψους από το επίπεδο αναφοράς. Ο χώρος εργασίας έχει κυλινδρική μορφή. Οι δυνατές κινήσεις αυτών των ρομπότ ονομάζονται έκταση και περιστροφή. Ένα κυλινδρικό ρομπότ σχηματίζεται από τη συναρμολόγηση ενός οριζόντιου βραχίονα με ένα κάθετο άξονα, τοποθετημένο πάνω σε μια περιστρε- φόμενη βάση. Ο οριζόντιος βραχίονας μπορεί να κινείται μέσα-έξω ή πάνω-κάτω στον κάθετο άξονα και περιστρέφεται δεξιά ή αριστερά γύρω από τον κάθετο άξονα. Έτσι οι κινήσεις των τριών κυρίων αξόνων καλύπτουν ένα κυλινδρικό τομέα.
Τα βασικά πλεονεκτήματα των κυλινδρικών ρομπότ είναι η πολύ μικρή εξάρτηση από τα φορτία βαρύτητας που δεν επηρεάζει την ακρίβεια του χειριστή και ο απλούστερος μηχανικός σχεδιασμός σε σχέση με τα καρτεσιανά ρομπότ. Στα μειονεκτήματα τους συμπεριλαμβάνονται η περιορισμένη συμβατότητα συνεργα- σίας με άλλους χειριστές σε κοινό χώρο εργασίας και η μικρότερη ακρίβεια και διακριτική ικανότητα σε σύγκριση με τα ορθογώνια ρομπότ.
iii. Σφαιρικά Ρομπότ (Spherical Robots)
Τα ρομπότ αυτά είναι επίσης γνωστά και ως ρομπότ σφαιρικών συντεταγμένων ή πολικά (polar) ρομπότ. Τα ρομπότ αυτά εργάζονται σε σφαιρικό χώρο εργασίας, είναι δηλαδή ικανά να κινούνται περιστροφικά, να επεκτείνουν και να προσδιορίζουν την κλίση στο βραχίονα τους, είναι δηλαδή κυλινδρικά ρομπότ με την προσθήκη στροφής (pitch) του άκρου.
Ένας σφαιρικός ή πολικός ρομποτικός σχηματισμός αποτελείται από ένα βραχίονα που κινείται μέσα-έξω στο εύρος προσέγγισης (reach stroke), που χρησιμοποιεί όμως μια περιστροφική κίνηση αντί για κάθετη ευθύγραμμη.
Επιπλέον, ο άξονας μπορεί να περιστρέφεται αριστερά – δεξιά γύρω από τον κάθετο περιστροφικό άξονα. Κατ΄ αυτόν τον τρόπο οι κινήσεις των κύριων αξόνων σχηματίζουν ένα τμήμα σφαίρας ως χώρο εργασίας.
Τα βασικά πλεονεκτήματα των σφαιρικών ρομπότ είναι η μικρή πολυπλοκότητα της δομής τους και το σχετικά χαμηλό βάρος τους , η δυνατότητα συνεργασίας τους με άλλα ρομπότ και εργαλειομηχανές σε κοινό χώρο εργασίας, η καλή διακριτική ικανότητα τους, καθότι τα σφάλματα θέσης είναι κάθετα και το γεγονός ότι απαιτείται μικρή διαδρομή των αρθρώσεων για την εκτέλεση πολλών κινήσεων.
Ανάμεσα στα μειονεκτήματα τους συγκαταλέγεται η περιορισμένη δυνατότητα αποφυγής συγκρούσεων με εμπόδια, το μεγάλο σφάλμα τοποθέτησης εξαιτίας των περιστροφικών κινήσεων, το οποίο είναι ανάλογο της ακτίνας (δηλ. Της απόστασης του εργαλείου από τη βάση), και ότι απαιτούνται μεγάλες και μεταβλητές ροπές στη δεύτερη και τρίτη άρθρωση, προκαλώντας έτσι πρόβλημα εξισορρόπησης.
iv. Αρθρωτά Ρομπότ
Τα ρομπότ αυτά, διαθέτουν μόνο περιστροφικές αρθρώσεις και εκτελούν κινήσεις όμοιες με τις κινήσεις του ανθρώπου. Για το λόγο αυτό, ρομπότ που διαθέτουν τέτοια γεωμετρία στις τρεις πρώτες αρθρώσεις τους, είναι γνωστά και ως ανθρωπομορφικά. Ένα αρθρωτό ρομπότ έχει περιστροφικές αρθρώσεις (που καλούνται ώμος και αγκώνας) τοποθετημένες σε μια βάση περιστρεφόμενη έτσι ώστε να παρέχονται τρεις κύριοι άξονες κίνησης.
Τα κύρια πλεονεκτήματα των αρθρωτών ρομπότ είναι η ευελιξία προσέγγισης πάνω ή κάτω από ένα αντικείμενο και η συμβατότητα συνεργασίας με άλλα ρομπότ σε κοινό χώρο εργασίας. Τα βασικά μειονεκτήματα τους είναι η χαμηλή διακριτική ικανότητα και ακρίβεια, που συνεπάγονται μέγιστο σφάλμα τοποθέτησης, η περιορισμένη δυνατότητα αποφυγής εμποδίων, οι μεγάλες ροπές αδράνειας και επιδράσεις φορτίων βαρύτητας, που προκαλούν δυναμική αστάθεια (δηλ.
δονήσεις), και τέλος, το γεγονός ότι δημιουργείται πρόβλημα εξισορρόπησης εξαιτίας των μεγάλων και μεταβλητών ροπών στις αρθρώσεις.
v. Ρομπότ Τύπου SCARA
Το ρομπότ τύπου SCARA (Selective Compliance Arm for Assembly – Ρομποτικός Βραχίονας Συναρμολόγησης με Επιλεκτική Συμμόρφωση), είναι ένας ρομποτικός σχηματισμός οριζόντιας περιστροφής ο οποίος σχεδιάστηκε στο Πανεπιστήμιο Yamamachi της Ιαπωνίας. Ο βραχίονας, ο οποίος έχε μέγεθος όσο και το τραπέζι εργασίας, σαρώνει μια περιοχή εξαρτημάτων και είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για εργασίες ανάκτησης και τοποθέτησης μικρών αντικειμένων.
Ένα ρομπότ τύπου SCARA είναι κατά βάση ανθρωπομορφική δομή (αρθρωτός βραχίονας), με τέσσερις ή πέντε βαθμούς ελευθερίας και λειτουργεί σε οριζόντιο επίπεδο. Έχει συνήθως δύο ή τρεις οριζόντιες σερβοελεγχόμενες αρθρώσεις (ώμος, αγκώνας και ορισμένες φορές καρπός), και ένα κάθετο σερβοελεγχόμενο ή μη άξονα. Διακόπτοντας την παροχή και ‘’χαλαρώνοντας’’ μία ή περισσότερες από τις οριζόντιες αρθρώσεις η ρομποτική δομή μπορεί να συμμορφωθεί σε εξωτερικές
δυνάμεις, χωρίς ωστόσο να επηρεάζεται από τη βαρύτητα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, μπορούν να εκτελεσθούν εργασίες εισαγωγής αντικειμένων πολύ αυστηρών ανοχών, όταν δηλαδή ο βραχίονας κινείται από εξωτερικές δυνάμεις για να αντισταθμίσει μικρά σφάλματα τοποθέτησης.
vi. Ρομπότ Τύπου (Gantry)
Τα ρομπότ αυτά είναι ορθογώνια με τρεις βαθμούς ελευθερίας κατ΄ ελάχιστο και έξι κατά μέγιστο και τοποθετούνται στην οροφή του τόπου εργασίας. Ρομπότ τοποθετημένα σε πάγκους εργασίας με σχεδιασμό gantry δε περιλαμβάνονται συνήθως στον ορισμό αυτό. Ένα ρομπότ gantry μπορεί να κινηθεί κατά τους άξονες x και y διανύοντας σχετικά μεγαλύτερες αποστάσεις από ένα ρομπότ τοποθετημένο στο δάπεδο με υψηλές ταχύτητες, ενώ ταυτόχρονα παρέχει και πολύ υψηλό βαθμό ακρίβειας τοποθέτησης. Τα χαρακτηριστικά του ρομπότ gantry περιλαμβάνουν μεγάλους χώρους εργασίας, ικανότητα ανύψωσης μεγάλων φορτίων, κινητή τοποθέτηση στην οροφή και τη δυνατότητα και ευελιξία λειτουργίας σε ένα χώρο εργασίας ισοδύναμο με αυτόν των πολλών ρομπότ δαπέδου.
Οι άξονες x , y και z ενός ρομπότ gantry ορίζονται ως ακολούθως:
- Άξονας x: Ταχεία Ολίσθηση (runway). Αυτός είναι επιμήκης άξονας, συνήθως αποτελούμενος από τις παθητικές πλάγιες ράβδους της δομής του ρομπότ gantry.
- Άξονας y: Γεφύρωση (bridge). Αυτός είναι ο εγκάρσιος άξονας, το ενεργητικό στοιχείο του ρομπότ, ο οποίος είναι τοποθετημένος πάνω στις ράβδους ταχείας ολίσθησης και υποστηρίζει το φορτίο του ρομπότ gantry.
- Άξονας z: τηλεσκοπικός Σωλήνας ή Ιστίο (mast). Αυτός είναι ο κάθετος άξονας που ανυψώνει το φορτίο.
vii. Κινητά Ρομπότ
Τα περισσότερα κινητά ρομπότ είναι τοποθετημένα πάνω σε τροχούς. Σήμερα δεν υπάρχει ακόμη συστηματική παραγωγή βιομηχανικών ρομπότ με τροχούς, αν και υπάρχει η ανάγκη για κινητικότητα σε εργοστασιακούς χώρους. Έχουν ωστόσο δημιουργηθεί πειραματικά και ερευνητικά ρομπότ με τροχούς. Εξάλλου σε πειραματικό στάδιο υπάρχουν κινητά ρομπότ με ερπύστριες ή ρομπότ με τέσσερα έως έξι πόδια (legged robots), έτσι ώστε το ρομπότ να μπορεί να κινηθεί σε ανώμαλα εδάφη. Τα ρομπότ αυτά έχουν αναπτυχθεί για εξερευνητικούς ή στρατιωτικούς σκοπούς. Τέλος έχουν αναπτυχθεί σε πρωταρχικό στάδιο ρομπότ με δύο πόδια που μπορεί να παραμένει όρθιο ενώ εκτελεί κάποια εργασία. Επίσης πρόβλημα αποτελεί και η παροχή ισχύος για ένα τέτοιο μηχανισμό.
Στη συνέχεια παρουσιάζονται εν συντομία τα βαδίζοντα κινητά ρομπότ και τα κυλιόμενα ρομπότ.
1) Βαδίζοντα Ρομπότ
Στις μηχανές που έχουν δυνατότητα βαδίσματος, το βασικό πρόβλημα είναι η ευστάθεια, η οποία διακρίνεται σε στατική και δυναμική. Η στατική ευστάθεια αφορά την ικανότητα διατήρησης μιας κατάστασης ή ενός σχήματος μόνο από δυνάμεις αντίδρασης, ενώ στη δυναμική ευστάθεια η ικανότητα αυτή προκαλείται τόσο από δυνάμεις αντίδρασης όσο και από αδρανειακές δυνάμεις. Προφανώς, η στατική ευστάθεια απαιτεί περισσότερα σημεία επαφής, και άρα περισσότερα πόδια, από ότι η δυναμική ευστάθεια. Μονόποδα ή δίποδα ρομπότ που εκτελούν αναπηδήσεις, όπως το Hopping Robot, αποτελούν παραδείγματα μηχανών βαδίσματος με κίνηση εξαρτώμενη από δυναμική ευστάθεια. Επίσης μοντέλα ανθρώπινου βαδίσματος και προσομοιώσεις έχουν αναπτυχθεί κατά καιρούς.
Μια μηχανή βαδίσματος που βασίζεται σε στατική ευστάθεια, απαιτεί κινηματική δομή ικανή να παράξει τις δυνάμεις αντίδρασης του εδάφους που απαιτούνται για την εξισορρόπηση του βάρους της μηχανής. Ένα δίποδο (biped) δεν έχει την ικανότητα στατικής ισορροπίας, διότι κατά τη φάση κίνησης ή προώθησης (swing phase) του ενός ποδιού, το σώμα στηρίζεται σε ένα σημείο επαφής, το οποίο δεν μπορεί να αναπτύξει τις απαιτούμενες δυνάμεις για να το διατηρήσει σε ισορροπία.
Για κίνηση σε οριζόντια επιφάνεια, απαιτούνται τουλάχιστον τρία πόδια για την παραγωγή στατικής ευστάθειας. Πράγματι, όταν ένα από τα πόδια βρίσκεται σε φάση προώθησης, τα άλλα δύο πόδια βρίσκονται σε επαφή με το έδαφος και στα δύο σημεία επαφής είναι δυνατόν να παραχθούν οι απαιτούμενες εξισορροπητικές δυνάμεις. Με τον ίδιο συλλογισμό, για να επιτευχθεί στατική ευστάθεια σε γενικές επιφάνειες απαιτούνται τουλάχιστον τέσσερα πόδια, αν και μια ιδιαίτερα συνήθης αρχιτεκτονική μηχανών που βαδίζουν είναι το εξάποδο (hexapod). Γνωστά εξάποδα ρομπότ είναι το Attila και το Hannibal που αναπτύχθηκαν στο MIT, ακόμη το Genghis II της IS Robotics, το Hermes και το Odex της Odetics. Ένα γνωστό ρομπότ με οκτώ πόδια είναι το Dante II, όπως και άλλα ρομπότ της Odetics τα οποία είναι αξονικά συμμετρικά. Εξάλλου, τέτοιου είδους ρομπότ έχουν χρησιμοποιηθεί και σε υποβρύχιες εφαρμογές.
Άλλες αξιοσημείωτες κατασκευές είναι το εξάποδο που αναπτύχθηκε στο Ohio State University (OSU HEXAPO) και η σειρά τετράποδων Titan.
Οι μηχανές βαδίσματος αποτελούν ίσως μοναδικό μέσο κινούμενου ιδιαίτερα σε μη δομημένα περιβάλλοντα. Οι μηχανές αυτές διαθέτουν προσαρμοστική ανάρτηση που τα καθιστά ικανά για πλοήγηση σε ανώμαλα εδάφη. Ωστόσο, δεν μπορούν να κινηθούν σε οποιοδήποτε τύπο εδάφους εξαιτίας περιορισμών στις διαστάσεις τους. Εάν, για παράδειγμα, υπάρχει ένα χάσμα βάθους μεγαλύτερου της μέγιστης κάθετης έκτασης των ποδιών, τότε η μηχανή δεν μπορεί να το ξεπεράσει. Ο
περιορισμός αυτός μπορεί να ξεπερασθεί εάν προσδοθεί στη μηχανή η ικανότητα να προσαρτά το πόδι της στο έδαφος όπως ένα ορειβάτης σε ένα βουνό.
Τέλος στην ίδια κατηγορία ανήκουν και τα ρομποτικά δίποδα.
2) Κυλιόμενα Κινητά Ρομπότ
Οι σειριακοί χειριστές έχουν περιορισμένο χώρο εργασίας εξαιτίας του πεπερασμένου μήκους των συνδέσεων τους και κατά συνέπεια, δεν είναι σε θέση να εξυπηρετήσουν ένα ευρύ περιβάλλον εργασίας. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να ξεπερασθεί εάν οι χειριστές αυτοί τοποθετηθούν σε κυλιόμενα (rolling) κινούμενα ρομπότ. Τα ρομπότ αυτά (Σχήμα.1) αποτελούν μετεξέλιξη των αυτόματα καθοδηγούμενων οχημάτων (automatic guided vehicles) ή AGVs. Τα AGVs στην αρχική τους μορφή ήταν ηλεκτροκινούμενα οχήματα με τέσσερις τροχούς που εκτελούσαν εργασίες κίνησης με κάποιο βαθμό αυτονομίας. Τα οχήματα αυτά ωστόσο περιορίζουν την κίνηση τους κατά μήκος προδιαγεγραμμένων διαδρομών, οι οποίες είναι σιδηροτροχιές ή μαγνητικές ταινίες τοποθετημένες στο έδαφος.
Μια ουσιαστική διαφορά μεταξύ των κυλιόμενων ρομπότ και των λοιπών ρομποτικών μηχανισμών είναι η ύπαρξη κινηματικών περιορισμών μεταξύ των τροχών του οχήματος και του εδάφους. Οι περιορισμοί αυτοί καλούνται μη ολονομικοί (nonholonomic).
Τα πλέον συνηθισμένα κυλιόμενα ρομπότ χρησιμοποιούν συμβατικούς ελαστικούς τροχούς, που μπορούν να περιστραφούν γύρω από άξονες προσαρτημένους στην πλατφόρμα του ρομπότ. Άλλοι εξειδικευμένοι τύποι κυλιόμενων ρομπότ διαθέτουν ερπύστριες. Κυλιόμενα ρομπότ με ειδικές κατασκευές τροχών έχουν χρησιμοποιηθεί σχεδόν αποκλειστικά στην εξερεύνηση πλανητών του ηλιακού συστήματος. Σε ερευνητικό επίπεδο, σμήνη από μικρά κινητά ρομπότ έχουν επιλεγεί για τη μελέτη διαδικασιών κοινωνικής συμπεριφοράς.
Εξάλλου, άλλα κυλιόμενα ρομπότ χρησιμοποιούν τροχούς Mekanum οι οποίοι είναι αμφικατευθυντικοί (omnidirectional) και προσδίδουν στο ρομπότ ικανότητες τριών βαθμών ελευθερίας. Το ρομπότ δηλαδή, μπορεί ελεύθερα να κινηθεί σε δύο οριζόντιες κατευθύνσεις και να περιστραφεί ανεξάρτητα γύρω από ένα κάθετο άξονα. Οι τροχοί Mekanum αποτελούνται από μία ζάντα, στην περιφέρεια της οποίας είναι τοποθετημένα κυλινδροειδή στοιχεία περιστρεφόμενα γύρω από τον άξονα τους, ο οποίος βρίσκεται σε σταθερή γωνία ως προς το άξονα του τροχού.
