Интеллектуальные роботы

Интеллектуальные  роботы.

1. История (вступление)
2. Архитектура(более подробно)
3. Видео(одно)
4. Виды роботов (военные роботы, промышленные роботы и др.)
5. Поколения роботов(более подробно)
6. Технологии Искусственного Интеллекта для роботов(дополнить из пдф)
7. Заключение (прогнозы)(добавить)
8. Список литературы

1. История(вступление)

Робот – это  машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или  полностью выполняет функции  человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром.

     На  протяжении многих веков люди изобретают механизмы, способные облегчить  нашу жизнь. Их уже несчетное множество, но, безусловно, самым высоким достижением  человеческой мысли являются всевозможные роботы.

     Современная робототехника основана на компьютерных технологиях: без компьютеров роботы не смогли бы и десятой части того, что они могут. Искусственный  интеллект и робототехника всегда были тесно связаны друг с другом. Одним из важных направлений искусственного интеллекта до сих пор считается  целенаправленное поведение роботов, т.е. создание интеллектуальных роботов, способных автономно совершать  операции по достижению целей, поставленных человеком. 

2. Поколения роботов.

3. поколения роботов:
1. Программные. Жестко заданная программа (циклограмма).
2. Адаптивные. Возможность автоматически перепрограммироваться (адаптироваться) в зависимости от обстановки. Изначально задаются лишь основы программы действий.
3. Интеллектуальные. Задание вводится в общей форме, а сам робот обладает возможностью принимать решения или планировать свои действия в распознаваемой им неопределенной или сложной обстановке.

Можно условно выделить три поколения в истории создания и развития робототехники.

Первых роботов  трудно назвать интеллектуальными. Только в 60-х годах появились очувствленные роботы, которые управлялись универсальными компьютерами. К примеру, в 1969 г. в Электротехнической лаборатории (Япония) началась разработка проекта "промышленный интеллектуальный робот". Цель этой разработки — создание очувствленного манипуляционного робота с элементами искусственного интеллекта для выполнения сборочно-монтажных работ с визуальным контролем.

Манипулятор робота имеет шесть степеней свободы  и управляется мини-ЭВМ NEAC-3100 (объем  оперативной памяти 32000 слов, объем  внешней памяти на магнитных дисках 273000 слов), формирующей требуемое  программное движение, которое отрабатывается следящей электрогидравлической системой. Захват манипулятора оснащен тактильными  датчиками.

В качестве системы  зрительного восприятия используются две телевизионные камеры, снабженные красно- зелено- синими фильтрами для распознавания цвета предметов. Поле зрения телевизионной камеры разбито на 64*64 ячеек. В результате обработки полученной информации грубо определяется область, занимаемая интересующим робота предметом. Далее, с целью детального изучения этого предмета выявленная область вновь делится на 4096 ячеек. В том случае, когда предмет не помещается в выбранное "окошко", оно автоматически перемещается, подобно тому, как человек скользит взглядом по предмету.

Робот Электротехнической лаборатории был способен распознавать простые предметы, ограниченные плоскостями  и цилиндрическими поверхностями  при специальном освещении. Стоимость  данного экспериментального образца  составляла примерно 400000 долларов.

Постепенно характеристики роботов монотонно улучшались, Но до сих пор они еще далеки по понятливости от человека, хотя некоторые  операции уже выполняют на уровне лучших жонглеров. К примеру удерживают на лезвии ножа шарик от настольного тенниса.

Таким образом, различают:

1 поколение: Роботы  с жесткой системой управления. Практически все современные  промышленные роботы принадлежат  к первому поколению Фактически это программируемые манипуляторы.

2 поколение: Адаптивные  роботы с сенсорными устройствами. Первые роботы этого типа обладали  довольно примитивными сенсорами,  однако сейчас они значительно  усложнились. Тем не менее,  наиболее совершенные роботы  этого класса существуют пока  только в лабораториях.

3 поколение: Самоорганизующиеся  или интеллектуальные роботы. Конечная  цель развития робототехники.  Основные нерешенные проблемы  в этом направлении: проблемы  машинного зрения, адекватной обработки  и хранения трехмерной визуальной  информации, несовершенства баз  знаний робота.

В настоящее время  в мире изготавливается более 60 000 роботов в год[3]. Практически, робототехника  сегодня является инженерной наукой, не отвергающая идей искусственного интеллекта, но не готовая пока к  их внедрению в силу различных  причин. 

3. Архитектура интеллектуальных роботов.

1. Исполнительные  органы
2. Датчики
3. Система управления
4. Модель мира
5. Система распознавания
6. Система планирования действий
7. Система выполнения действий
8. Система управления целями

Интеллектуальный  робот, как агент МАРС представляет собой автоматическую систему, состоящую  из следующих основных (базовых) компонент:

1. Двигательная система (ДС);
2. Сенсорная система (СС);
3. Интеллектуальная управляющая система (ИУС);
4. Коммуникационная система (КС);

Все эти компоненты взаимосвязаны, причем в мехатронном роботе они конструкционно интегрированы в одном «теле» (например, в андроидном роботе).

Архитектура мехатронного робота-агента представлена на рисунке.

Главными особенностями  робота, как агента МАРС являются:

- наличие собственной  (локальной) базы данных и знаний  в интеллектуальной системе навигации  и управления движением;

- наличие средств связи (коммуникации) для обмена данными и знаниями с другими агентами-роботами и людьми.

Агенты-роботы обычно интегрируются в МАРС для совместного  достижения общих (глобальных) целей  и решения сложных задач. При  этом возникают новые проблемы группового управления, навигации и коммуникации, связанные с организацией коллективного  поведения роботов.

Принцип действия мульти-агентных систем навигации и управления движением основываются на декомпозиции общей (глобальной) задачи на ряд локальных задач, распределяемых между роботами-агентами, планировании коллективного поведения агентов, координации взаимодействия агентов на основе кооперации, коммуникации и разрешения конфликтных ситуаций.

Мульти-агентные ИУС имеют иерархическую архитектуру и включают в себя следующие уровни:

- система планирования  групповой навигации организации  коллективного поведения агентов-роботов  (стратегический уровень координации  группового поведения);

- локальные системы  интеллектуального или нейросетевого управления движением роботов, как агентов (тактический уровень локального интеллектуального управления).

Задачи стратегического  уровня могут возлагаться на специального агента-координатора, а задачи тактического уровня параллельно решаются локальными системами навигации и управления движением роботов, как агентов. В результате мульти-агентной навигации и интеллектуального управления значительно увеличивается надежность, адаптивность и быстродействие МАРС в изменяющейся среде с препятствиями. 

4. Виды роботов

Интеллектуальных  роботов можно условно разделить  на две категории: рабочие (т. е. роботы, сконструированные для служебных  задач) и домашние. 

1. Интеллектуальные  домашние роботы

искусственный интеллект робот

Интеллектуальный  робот, как машина-исполнитель должен принимать задание в общей  форме, а сам робот должен обладать возможностью принимать решения  или планировать свои действия в  распознаваемой им неопределенной или  сложной обстановке.

В Стэндфордском  университете работает группа из 10 профессоров  информатики и около 30 аспирантов и студентов над проектом STAIR. Это аббревиатура, образованная от "Стэндфордского робота с искусственным  интеллектом" (Stanford Artificial Intelligence Robot). "В течение десятилетия мы надеемся разработать технологии, которые сделают полезным присутствие робота в каждом доме и офисе", — рассказывает руководитель проекта Эндрю Нг (Andrew Ng).

На первом этапе, который начался в 2006 году, был создан мобильный колесный робот STAIR («Ступенька»), оснащенный одним  манипулятором, лазерным дальномером  и несколькими камерами. В 2008 году STAIR уже умел самостоятельно находить двери и открывать их. На сегодняшний момент робот понимает голосовые команды типа «Принеси степлер», самостоятельно находит степлер среди других предметов в помещении, берет его манипулятором и приносит человеку, отдавшему команду. Это делает новый алгоритм, который позволяет "Ступеньке" узнавать знакомые особенности в незнакомых объектах и выбирать правильный захват. Какие именно алгоритмы и методы ИИ используются в данном роботе исследователи не сообщают. В настоящее время группа начинает использовать для экспериментов робота PR2 компании WillowGarage.

Молодая американская компания Willow Garage разрабатывает четырёхколёсного «домашнего» робота Personal Robot 2 (PR2). Компания поставила перед собой задачу разработки действительно интеллектуальных и многофункциональных роботов для повседневного использования в роли помощников. PR2 — робот ростом немного ниже человека и весом 145 кг. Он обладает четырьмя степенями свободы в туловище, имеет две руки с восемью свободы. Ещё три степени свободы "полагаются" голове, оснащённой стереокамерой и лазерным дальномером. Вся электрика, механика, электропитание, три бортовых компьютера, электроника плюс софт заключены в самом роботе.  

рис. 1. –  Personal Robot 2  

Наиболее  впечатляющее достижение этого робота на данный момент — самостоятельное  прохождение "лабиринта" из комнат, коридоров и закрытых дверей в  поисках стандартных (что важно) бытовых розеток, от которых этот бот успешно и заряжает свои батареи.

Робот контролирует силу, развиваемую своей рукой (датчики  встроены в моторы сочленений). Более  того, на конце каждого из его  пальцев размещено по 22 сенсора  давления. Так что он хорошо чувствует  движение двери и не нажимает на неё слишком сильно там, где этого  не требуется. В этом умении новый  бот ближе к человеку, чем к  прежним машинам, открывавшим двери  заранее "заученным" и жёстко заданным движением.

Идеология проекта PR2 — развитие бытовых роботов  с "умом" на базе специальной операционной системы робота (ROS) с открытым исходным кодом. Весной этого года Willow Garage бесплатно раздала десять экземпляров PR2 студенческим исследовательским лабораториям.

"Наша  конечная цель заключается в  том, чтобы обеспечить набор  возможностей, столь общих и универсальных,  что они смогут быть использованы  в качестве составных элементов  в более сложных приложениях", — объяснил замысел изобретателей  Себастьян Тран (Sebastian Thrun), директор Стэнфордской лаборатории искусственного интеллекта и член совета директоров Willow Garage.

К примеру, недавно специалисты Токийского университета (University of Tokyo) модифицировали ROS от "гаража", чтобы построить что-то своё. И это только расширяет возможности проекта, к которому так или иначе подключается всё больше специалистов.

Учёные  из Калифорнийского университета в  Беркли (UC Berkeley) впервые обучили робота, предоставленного компанией Willow Garage, взаимодействию с деформирующимися объектами. Как ни странно, но только сейчас удалось научить машину работать с мягкими и, главное, легко и непредсказуемо меняющими форму предметами.

Исследователи из Беркли создали алгоритм, который  позволил роботу PR2 складывать в ровные стопки заранее неизвестные ему  полотенца разных форм, цветов и  сделанные из различных материалов. В видеоролике показано, как PR2 справляется  с бельём не хуже заправской домохозяйки. В пресс-релизе отмечалось, что робот  успешно справился с полотенцами  во всех 50 попытках. 

рис. 2 –  Care-O-bot 

Один из самых удачных проектов домашних роботов — штугартский Care-O-bot. Над ним с 1998 года трудятся специалисты из института технологии машиностроения и автоматизации Фраунгофера (Fraunhofer IP A). Высота машины составляет 1,45 метра, а вес превышает 150 килограммов. Опирается робот на четыре колеса (все ведущие и управляемые), которые позволяют машине двигаться в любом направлении и разворачиваться на месте. Питается бот от набора литиевых аккумуляторов, а мозгом ему служат три PC, спрятанные в недрах корпуса. Рука у робота одна, зато располагает семью степенями свободы сама по себе, и ещё семь приходятся на трёхпалую кисть. Манипулятор оснащён датчиками усилия, а кончики пальцев — сенсорами прикосновения, что позволяет боту бережно брать стеклянные предметы. Длина этой руки достаточна, чтобы поднимать предметы с пола или доставать их с верхней полки обычного домашнего шкафа. Care-O-bot обладает достаточно богатым набором умений и навыков, чтобы уже сейчас выполнять в доме ограниченный круг заданий.

Демонстрацию  возможностей двух своих человекоподобных роботов в начале 2010 года устроил  Корейский институт науки и технологий (KIST). Андроиды показали, как они решают "проблемы с эксплуатацией бытовых приборов" и готовят хозяину быстрый завтрак.

Проект  Mahru Ahra стартовал в KIST ещё в марте 2005 года. Mahru -имя андроида-мальчика, Ahra — робота-девочки. В институте говорят, что тратят на разработку гуманоидных машин больше $3,5 миллиона в год, что позволило создать несколько модификаций андроидов ростом около полутора метров и весом в полсотни кило, обладающих тридцатью с лишним степенями свободы. В последнем показе участвовали двуногий Mahru-Z и колёсная версия Mahru-M. Как сообщается в пресс-релизе KIST, благодаря технологиям высокоскоростного трёхмерного распознавания объектов и высокоточного манипулирования предметами роботы способны "приготовить простую еду". 

рис. 3 –  Mahru и Ahra 

Работы  по созданию домашних роботов ведут  многие крупные университеты мира, часто по заказам военных. Это  связано с возможностью использования  разработанных технологий в различных  областях, и в первую очередь —  для создания военных роботов. 

3. Военные  роботы 

Наибольший  прогресс в области робототехники  сейчас наблюдается сфере развития применения военных роботов. Это  связано с успешным развитием  программы по созданию робототитизированной армии, которой занимается Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) -основной исследовательский центр Министерства Обороны США.

По оценкам  специалистов подготовка робото-армии, состоящей из воздушных сил и пехоты будет завершена в течение ближайших 10 лет. А к 2015 году DARPA планирует сделать одну треть транспортных средств, состоящих на вооружении США, беспилотными. Переход к полноценной робототехнической армии должен состояться к 2025 году. Уже сегодня специалисты утверждают, что это произойдет даже несколько раньше - к 2020 году. Благодаря внедрению роботов, из военных действий исключается самый важный фактор - присутствие на поле боя живых солдат. Используя спутниковую связь, управление такой армией можно вести из любой точки мира.

Ранее вооруженные  силы США уже использовали беспилотные  самолеты (беспилотники, БПЛА) для оказания огневой поддержки наземным войскам в Ираке и Афганистане. В частности, беспилотники MQ-1 Predator и MQ-9 Reaper выполняли задачи по уничтожению объектов на пути наступления. Тем не менее, эффективность сегодняшних беспилотных систем пока не может сравниться с пилотируемыми истребителями-бомбардировщиками A-10 или F-16. В частности, БПЛА не способны нести столько же оружия, сколько боевые самолеты.

Скорость  робототизации армии США впечатляет. Например, число беспилотников в составе ВВС и Армии США увеличилось с 2000 года по 2010 г. в 136 раз: с 50 до 6800 единиц, сообщает The Air Force Times. В числе применяемых сегодня беспилотных летательных аппаратов - легкие БПЛА, запускаемые вручную, беспилотные вертолеты и тяжелые ударные машины, используемые ежедневно.

Показательно, что в 2010 г. командование ВВС США впервые в своей истории намерено приобрести больше беспилотных аппаратов, нежели пилотируемых самолетов. Сегодня 85% своих беспилотников ВВС используют в конфликтах в Ираке и Афганистане, а оставшиеся применяются для обучения операторов.

Наземные  роботы на данный момент получили меньшее  распространение. К настоящему дню  американская армия эксплуатирует  около 1700 гусеничных аппаратов PackBot с дистанционным управлением. Они используются в первую очередь для разминирования, прокладке линий связи, а также ведения тактической разведки, в том числе внутри зданий. Вместе с тем продолжаются работы по созданию боевых наземных роботов различных типов, включая дистанционно управляемые бронемашины. Специалисты полагают, что в ближайшей перспективе принятие их на вооружение маловероятно.

В начале февраля 2010 года Министерство обороны  США обнародовало 30-летний план развития военно-воздушных сил страны и  морской авиации. Документ, в частности, предполагает увеличение числа беспилотников в четыре раза и снижение количества пилотируемых боевых самолетов на десять процентов. Например, число тяжелых боевых беспилотников должно увеличиться с 220 до 800 единиц.

При этом Армия США намерена к 2035 году конвертировать все имеющиеся на вооружении вертолеты  в беспилотные версии с возможностью пилотирования человеком. Кроме  того, военные США сейчас занимаются составлением требований к истребителю  шестого поколения, который, предположительно, также станет беспилотным.

Согласно  новому исследованию Teal Group, рынок беспилотников является самым быстрорастущим сектором мировой аэрокосмической индустрии. В ближайшие 10 лет спрос на них удвоится и вырастет с 4,4 до 8,7 млрд. долл., а общий объем продаж за этот период составит 62 млрд. долл. При этом 72% расходов на исследовательские, опытные и конструкторские работы придутся на долю США.

В начале июня 2008 года американская компания Foster-Miller также сообщила о завершении поставок министерству обороны США первого боевого робота MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System). Уже тогда американские военные объявили, что в целом до 2014 года в 15 сухопутных бригад ВС США должны поступить 1700 боевых роботов и что при этом соотношение личного состава к количеству машин достигнет 29 к 1. К концу 2014 года все 1700 роботов будут готовы к применению.

Помимо  США программы разработки дистанционно управляемых боевых систем реализуются рядом европейских стран, а также Россией, Канадой, Южной Кореей, Китаем, Сингапуром, ЮАР, Израилем и Индией.

Так с 1999 по 2008 гг. французская армия потратила  на закупку воздушных роботов 395 млн. евро. До 2014 г. на эти цели уйдет еще 524 млн. евро — в основном на тактические аппараты.

Как сообщает РБК со ссылкой на главкома Военно-воздушных  сил РФ генерал-полковника Александра Зелина, одними из главных приоритетов развития ВВС РФ являются принятие на вооружение и оснащение войск роботизированной авиационной и наземной техникой и разработка авиационных комплексов шестого поколения. Почти все крупные Российские авиационные компании занимаются разработкой беспилотников, которые по своим параметрам не уступают зарубежным образцам. Сейчас на вооружении Российской пограничной службы числятся семь комплектов беспилотников, каждый из которых включает в себя два-три аппарата. В общей сложности погранслужба оперирует 14 беспилотными аппаратами.

Активно развиваются морские и подводные  роботы. Например, уже сегодня с американская компания Hydroid выпустила порядка 200 автономных необитаемых подводных аппаратов Remus 100. Они используются многими государствами для исследований рельефа подводного дна, поиска морских мин, охраны морских военных баз.

Аналитическая компания Douglas-Westwood опубликовала отчет, посвященный тенденциям рынка подводных роботов на следующее десятилетие. По наиболее вероятному сценарию будет выпущено 1142 аппарата на общую сумму 2,3 млрд. долл., из которой 1,1 млрд. потратят военные. Произведено будет 394 крупных, 285 средних и 463 миниатюрных подводных устройства. В случае оптимистичного развития событий объем продаж достигнет 3,8 млрд. долл., а в "штучном" выражении — 1870 роботов.

С предостережениями  в связи с возможным развязыванием  новой гонки вооружений в области  робототехники выступил профессор  Шеффилдского университета Ноэл Шарки (Noel Sharkey). Британский ученый, в частности, указал на опасность утраты человеком контроля над применением средств поражения в результате принятия на вооружение полностью автономных боевых систем. Последнее, кстати, рассматривается Пентагоном в качестве одного из приоритетов.

И хотя современный  уровень развития технологий не позволяет  говорить о реальности подобных угроз  в обозримом будущем, прогресс не стоит на месте. Так что в случае нарастания напряженности в мире полностью автономные боевые системы могут быть созданы уже в ближайшие 30-40 лет. 

4. Гражданские  роботы 

Промышленные  роботы начали широко внедряться в  производственную сферу в семидесятые  годы прошлого столетия. Эти роботы управлялись автоматически от систем числового программного управления. Применение элементов адаптации  позволило расширить возможности  промышленных роботов. Современное  высокоточное производство невозможно без использования промышленных роботов.

В настоящее  время различные международные  фирмы ABB, STAUBLI, REIS, MOTOMAN, MITSUBISHI и другие производят промышленные роботы для  манипулирования, сварки, покраски, упаковки, шлифовки, полировки и т. д. с большим  спектром применения и по точности, и по характеру выполняемых операций. Следует отметить, что в настоящее  время в России отсутствует производство промышленных роботов.

Япония  является лидером в производстве и использовании робототехники  в мире. В 2005 году в стране работало 370 тысяч роботов -40 процентов от общего количества во всем мире. На каждую тысячу заводских сотрудников-людей  приходилось 32 робота.

Южная Корея  планирует начать с 2010 года использовать роботов для строительства высотных зданий.

По оценкам  ассоциации роботопроизводителей RIA, североамериканский рынок роботов в 2007 г. вырос на 24%. Всего в регионе выпущено 15 856 аппаратов на общую сумму 1,07 млрд. долл. По числу промышленных роботов традиционно лидирует Япония, но США с 178 тыс. внедрений приблизились к ней почти вплотную. Всего же в мире сегодня эксплуатируется 1 млн. роботов.

Рынок роботов  саперов развивается тем лучше, чем большей становится угроза терроризма и социальной нестабильности. В крупных  областных центрах России взрывотехники выезжают по полученной информации несколько сотен раз в год. В Москве и других мировых столицах статистика выездов измеряется тысячами случаев. Использование для разминирования опасных объектов роботов-саперов является уже обычной практикой, сохраняющей жизнь людей.

Производством роботов-саперов занимаются канадцы, американцы, австралийцы, европейские  и азиатские разработчики. В России дистанционно управляемых саперов  серийно производит Ковровский электромеханический завод. Покупатели российских роботов — спецподразделения ФСБ и МВД, занимающиеся борьбой с терроризмом. На экспорт российские роботы-саперы не поставляются.

Роботы-охранники  Reborg-Q японской корпорации ALSOK с декабря 2007 охраняют несколько крупных супермаркетов в Токио. Многие американские корпорации создают роботов для патрулирования наземных объектов. Так корпорация General Dynamics приступает к производству роботов, которые будут выполнять функции военных патрульных.

Роботы  для медицины становятся неотъемлемой частью современных клиник, занимая  заметную часть рынка. В настоящее  время около 860 хирургических клиник по всему миру (в 2006 году было 140 клиник), используют роботизированную хирургическую  систему da Vinci. В России в настоящее время успешно используются пять таких установок. Подобные комплексы позволяют проводить операции, быстрее, с меньшей кровопотерей и сохранением большего количества нервных окончаний, что благотворно влияет на состояние больного. Кроме того, использование системы da Vinci уменьшает риск инфицирования хирургической бригады гепатитом, ВИЧ и другими инфекциями. 

рис 4 –  роботизированная хирургическая система  da Vinci 

Для обучения врачей во многих клиниках мира используются роботы-тренажеры. Например, американская компания Medical Education Technologies (METI) с 1996 года выпускает симулятор пациента по имени Stan (сокращённое "Standard Man", стандартный человек). Робот дышит и говорит. И многих студентов регулярно шокирует "смерть" манекена — настолько он реалистичен. Почти как живой.

Стэн — дорогое удовольствие ( цена около $200 тысяч), однако ни на животных, ни на трупах, ни, уже тем более, живых людях будущие медики не могут так попрактиковаться и поэкспериментировать, как на этом "Симуляторе пациента". Об этом в один голос говорят профессиональные доктора. В данный момент Стэн используется в 370 обучающих госпиталях и медицинских школах по всему миру.