Zmysły droida: jak roboty widzą, słyszą i czują dotyk
Robot bez czujników jest jak automat z XVIII wieku: powtarza zapisany ruch, niezależnie od tego, co dzieje się dookoła. Dopiero zmysły – kamery, lasery, żyroskopy i czujniki nacisku – sprawiają, że maszyna może reagować. Oto przegląd najważniejszych.
> W SKRÓCIE
- Wzrok robota to kamery (zwykłe, stereo i głębi), lidar oraz radar.
- Zmysł równowagi zapewnia jednostka inercyjna IMU, a wiedzę o własnym ciele – enkodery w przegubach.
- Czujniki siły i sztuczna skóra pozwalają chwytać delikatne przedmioty i bezpiecznie pracować z ludźmi.
- Najlepsze wyniki daje łączenie danych z wielu czujników, czyli fuzja sensoryczna.
Wzrok: kamery, głębia i światło lasera
Najbardziej uniwersalnym czujnikiem jest kamera. Zwykła kamera kolorowa dostarcza mnóstwa informacji, ale płaski obraz nie mówi wprost, jak daleko jest dany przedmiot. Dlatego roboty często używają:
- kamer stereo – dwóch obiektywów rozstawionych jak ludzkie oczy; odległość oblicza się z różnicy między obrazami,
- kamer głębi – mierzą odległość każdego punktu obrazu, np. mierząc czas lotu światła albo analizując rzutowany wzór,
- lidaru – laserowego dalmierza, który tworzy trójwymiarową chmurę punktów otoczenia.
W pojazdach i robotach pracujących na zewnątrz stosuje się też radar, który dobrze radzi sobie we mgle, deszczu i kurzu.
Słuch: mikrofony z kierunkiem
Roboty, które rozmawiają z ludźmi, mają zwykle zestaw kilku mikrofonów. Porównując, kiedy dźwięk dotarł do każdego z nich, robot ustala, skąd dochodzi głos, i odfiltrowuje hałas tła. Dzięki temu może odwrócić się w stronę mówiącego.
Równowaga i czucie własnego ciała
Człowiek wie, jak ułożone są jego ręce, nawet z zamkniętymi oczami. Roboty mają odpowiednik tego zmysłu:
- Enkodery w każdym przegubie mierzą jego kąt i prędkość obrotu.
- IMU, czyli jednostka inercyjna z akcelerometrem i żyroskopem, mierzy przyspieszenia i obroty całego ciała. To ona pozwala humanoidowi czy robotowi czworonożnemu utrzymać równowagę.
Dotyk: siła i sztuczna skóra
Chwycenie jajka bez rozbicia i podanie człowiekowi kubka wymaga czucia siły. Służą do tego:
- czujniki siły i momentu montowane w nadgarstku robota lub w przegubach,
- czujniki dotyku w palcach – mierzą nacisk i wykrywają poślizg przedmiotu,
- sztuczna skóra – elastyczne powłoki z wieloma czujnikami, które wyczuwają kontakt na dużej powierzchni.
W robotach współpracujących (cobotach) czujniki siły pełnią funkcję bezpieczeństwa: gdy robot wyczuje nieoczekiwany opór, na przykład dotknięcie człowieka, natychmiast się zatrzymuje.
Fuzja sensoryczna: wszystko razem
Żaden czujnik nie jest idealny. Kamera oślepia się pod światło, lidar ma kłopot z lustrami i szybami, a enkodery kół mylą się, gdy koło się ślizga. Dlatego roboty łączą dane z wielu źródeł – to fuzja sensoryczna. Klasycznym narzędziem jest filtr Kalmana, który na bieżąco waży, któremu czujnikowi bardziej ufać.
Coraz częściej fuzją zajmują się też sieci neuronowe, które uczą się łączyć obraz, głębię i dotyk w jeden spójny obraz świata. To właśnie te techniki stoją za postępem humanoidów i robotów sprzątających.
Pytania i odpowiedzi
Czym różni się lidar od kamery?
Kamera rejestruje obraz, z którego trzeba dopiero obliczyć odległości. Lidar mierzy odległość bezpośrednio, wysyłając impulsy światła laserowego i licząc czas ich powrotu.
Do czego robotowi żyroskop?
Żyroskop i akcelerometr w jednostce IMU mówią robotowi, jak jest pochylony i jak przyspiesza. Bez nich robot kroczący nie utrzymałby równowagi, a robot jeżdżący szybko gubiłby kierunek.
Czy roboty mają zmysł dotyku?
Coraz częściej tak. Czujniki siły w przegubach i nadgarstku mierzą nacisk, a sztuczna skóra z czujnikami pozwala wyczuć kontakt na powierzchni ciała robota.