Η ρομποτική είναι ένα μοναδικό μείγμα επιστήμης και τεχνολογίας που παράγει μηχανές που μιμούνται τις ενέργειες των ανθρώπων.
Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, το 90% των ρομπότ βρίσκονταν σε εργοστάσια κατασκευής αυτοκινήτων αντικαθιστώντας τους ανθρώπους για επαναλαμβανόμενες εργασίες. Τώρα τα ρομπότ μπορούν να σκουπίζουν σπίτια και ακόμη και να σερβίρουν σε εστιατόρια.
Ένα ρομπότ συνήθως αποτελείται από τρεις τύπους εξαρτημάτων. το μηχανικό σώμα? τον ηλεκτρικό σκελετό, και τέλος έναν εγκέφαλο φτιαγμένο με κώδικα.
Αυτά τα στοιχεία επιτρέπουν σε ένα ρομπότ να συλλέγει δεδομένα (συχνά από αισθητήρες), να παίρνει αποφάσεις μέσω προγραμματισμένης λογικής για να προσαρμόζει τη συμπεριφορά και να ολοκληρώνει εργασίες.
Τα ρομπότ μπορεί να έχουν τρεις τύπους προγραμμάτων. Τηλεχειριστήριο (RC), Τεχνητή νοημοσύνη (AI), ή Υβριδικό.
Τα προγράμματα RC απαιτούν την παρέμβαση ενός ανθρώπου που μπορεί να δώσει το σήμα έναρξης ή/και διακοπής για την εκτέλεση του κώδικα στο ρομπότ. Τα προγράμματα αποτελούνται από διάφορους τύπους αλγορίθμων, ο καθένας με διαφορετική λειτουργία.
Τι είναι ένας αλγόριθμος;
Ένας αλγόριθμος είναι μια σειρά από γραμμές κώδικα που ένα ρομπότ μπορεί να χρησιμοποιήσει για να εκτελέσει ορισμένες οδηγίες. Μεταφράζει τις ιδέες του προγραμματιστή σε μια γλώσσα κατανοητή από τα ρομπότ.
Οι αλγόριθμοι μπορούν να εκφραστούν με πολλά είδη συμβολισμών, όπως ψευδοκώδικα, διαγράμματα ροής, γλώσσες προγραμματισμού, ή πίνακες ελέγχου.
Σε αυτό το άρθρο θα συζητήσουμε ορισμένους κοινούς τύπους αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα προγράμματα.
Τύποι αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται στη ρομποτική
1. Αλγόριθμος A* Anytime
Ο αλγόριθμος A* είναι ένας αλγόριθμος αναζήτησης διαδρομής που χρησιμοποιείται για την εύρεση της βέλτιστης διαδρομής μεταξύ δύο σημείων, δηλαδή με το μικρότερο κόστος.
Ο αλγόριθμος Anytime A* έχει ευέλικτο κόστος χρόνου και μπορεί να επιστρέψει τη συντομότερη διαδρομή ακόμα κι αν διακοπεί, καθώς δημιουργεί πρώτα μια μη βέλτιστη λύση και στη συνέχεια τη βελτιστοποιεί.
Αυτό επιτρέπει την ταχύτερη λήψη αποφάσεων, καθώς το ρομπότ μπορεί να βασιστεί σε προηγούμενους υπολογισμούς αντί να ξεκινά από το μηδέν.
Πώς λειτουργεί;
Αυτό το κάνει σχηματίζοντας ένα «δέντρο» το οποίο εκτείνεται από τον κόμβο εκκίνησης μέχρι να ενεργοποιηθούν τα κριτήρια για τον τερματισμό, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει μια λιγότερο δαπανηρή διαδρομή.
Ένα Δισδιάστατο Πλέγμα δημιουργείται με εμπόδια και ένα κελί εκκίνησης και τα κελιά-στόχοι είναι αιχμηρά.
Ο αλγόριθμος ορίζει την «τιμή» ενός κόμβου με f που είναι το άθροισμα των παραμέτρων g (το κόστος μετακίνησης από τον αρχικό κόμβο στον εν λόγω κόμβο) και h (το κόστος μετακίνησης από τον εν λόγω κόμβο στον κόμβο στόχο).
Εφαρμογές
Πολλά παιχνίδια και χάρτες που βασίζονται στο διαδίκτυο χρησιμοποιούν αυτόν τον αλγόριθμο για την αποτελεσματική εύρεση της συντομότερης διαδρομής. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για κινητά ρομπότ.
Μπορείτε επίσης να λύσετε πολύπλοκα προβλήματα όπως το Newton–Raphson επανάληψη που εφαρμόζεται για την εύρεση της τετραγωνικής ρίζας ενός αριθμού.
Χρησιμοποιείται επίσης σε προβλήματα τροχιάς για την πρόβλεψη της κίνησης και της σύγκρουσης ενός αντικειμένου στο διάστημα.
2. Αλγόριθμος Δ*
Οι D*, Focused D* και D* Lite είναι αλγόριθμοι σταδιακής αναζήτησης για την εύρεση της συντομότερης διαδρομής μεταξύ δύο σημείων.
Ωστόσο, είναι ένα μείγμα αλγορίθμων Α* και νέων ανακαλύψεων που τους επιτρέπουν να προσθέτουν πληροφορίες στους χάρτες τους για άγνωστα εμπόδια.
Στη συνέχεια, μπορούν να υπολογίσουν εκ νέου μια διαδρομή με βάση νέες πληροφορίες, όπως το Mars Rover.
Πώς λειτουργεί;
Η λειτουργία του αλγόριθμου D* είναι παρόμοια με αυτή του Α*, ο αλγόριθμος ορίζει πρώτα τα f, h και δημιουργεί μια ανοιχτή και κλειστή λίστα.
Μετά από αυτό, ο αλγόριθμος D* καθορίζει την τιμή g του τρέχοντος κόμβου χρησιμοποιώντας την τιμή g των γειτονικών κόμβων του.
Κάθε γειτονικός κόμβος κάνει μια εικασία για την τιμή g του τρέχοντος και η μικρότερη τιμή g προσαρμόζεται ως η νέα τιμή g.
Εφαρμογές
Το D* και οι παραλλαγές του χρησιμοποιούνται ευρέως για κινητά ρομπότ και αυτόνομο όχημα πλοήγηση.
Τέτοια συστήματα πλοήγησης περιλαμβάνουν ένα πρωτότυπο σύστημα που δοκιμάστηκε στα ρόβερ του Άρη Opportunity and Spirit και το σύστημα πλοήγησης που κέρδισε το DARPA Urban Challenge.
3. Αλγόριθμος PRM
Ένα PRM, ή ένας πιθανός οδικός χάρτης, είναι ένα γράφημα δικτύου πιθανών διαδρομών που βασίζεται σε ελεύθερους και κατειλημμένους χώρους σε έναν δεδομένο χάρτη.
Χρησιμοποιούνται σε πολύπλοκα συστήματα σχεδιασμού και επίσης για την εύρεση μονοπατιών χαμηλού κόστους γύρω από εμπόδια.
Τα PRM χρησιμοποιούν ένα τυχαίο δείγμα σημείων στον χάρτη τους όπου μπορεί να κινηθεί μια συσκευή ρομπότ και στη συνέχεια υπολογίζεται η συντομότερη διαδρομή.
Πώς λειτουργεί;
Το PRM αποτελείται από μια φάση κατασκευής και αναζήτησης.
Στην πρώτη φάση, σχηματίζεται ένας οδικός χάρτης που προσεγγίζει πιθανές κινήσεις σε ένα περιβάλλον. Στη συνέχεια δημιουργείται μια τυχαία διαμόρφωση και συνδέεται με ορισμένους γείτονες.
Οι διαμορφώσεις έναρξης και στόχου συνδέονται με το γράφημα στη φάση του ερωτήματος. Στη συνέχεια, η διαδρομή λαμβάνεται από το α Το συντομότερο μονοπάτι του Dijkstra ερώτηση.
Εφαρμογές
Το PRM χρησιμοποιείται σε τοπικούς σχεδιαστές, όπου ο αλγόριθμος υπολογίζει μια ευθεία γραμμή μεταξύ δύο σημείων, δηλαδή του αρχικού και του στόχου.
Ο αλγόριθμος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των εφαρμογών σχεδιασμού διαδρομής και ανίχνευσης σύγκρουσης.
4. Αλγόριθμος Zero Moment Point (ZMP).
Το σημείο μηδέν ροπής (τεχνική ZMP) είναι ένας αλγόριθμος που χρησιμοποιείται από τα ρομπότ για να διατηρήσουν τη συνολική αδράνεια αντίθετη από τη δύναμη αντίδρασης του δαπέδου.
Αυτός ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί την έννοια του υπολογισμού του ZMP και την εφαρμόζει με τρόπο για να εξισορροπήσει τα δίποδα ρομπότ. Η χρήση αυτού του αλγόριθμου σε μια λεία επιφάνεια δαπέδου φαινομενικά επιτρέπει στο ρομπότ να περπατά σαν να μην υπάρχει στιγμή.
Κατασκευαστικές εταιρείες όπως η ASIMO (Honda) χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνική.
Πώς λειτουργεί;
Η κίνηση ενός ρομπότ που περπατά σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας την εξίσωση γωνιακής ορμής. Διασφαλίζει ότι η παραγόμενη κίνηση της άρθρωσης εγγυάται τη δυναμική σταθερότητα της στάσης του ρομπότ.
Αυτή η σταθερότητα ποσοτικοποιείται από την απόσταση του σημείου μηδενικής στιγμής (υπολογίζεται από τον αλγόριθμο) εντός των ορίων μιας προκαθορισμένης περιοχής σταθερότητας.
Εφαρμογές
Τα σημεία μηδενικής στιγμής μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μέτρηση για την αξιολόγηση της σταθερότητας έναντι ανατροπής ρομπότ όπως το iRobot PackBot κατά την πλοήγηση σε ράμπες και εμπόδια.
5. Αλγόριθμος ελέγχου αναλογικού ολοκληρωτικού διαφορικού (PID).
Το Proportional Integral Differential Control ή PID, δημιουργεί έναν βρόχο ανάδρασης αισθητήρα για την προσαρμογή των ρυθμίσεων για μηχανικά εξαρτήματα υπολογίζοντας την τιμή σφάλματος.
Αυτοί οι αλγόριθμοι συνδυάζουν και τους τρεις βασικούς συντελεστές, δηλαδή αναλογία, ολοκλήρωμα και παράγωγο, έτσι ώστε να παράγει ένα σήμα ελέγχου.
Λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο και εφαρμόζει διορθώσεις όπου χρειάζεται. Αυτό φαίνεται στο αυτο-οδήγηση αυτοκινήτων.
Πώς λειτουργεί;
Ο ελεγκτής PID χρησιμοποιεί τρεις όρους ελέγχου της αναλογικότητας, της ολοκληρωτικής και της παράγωγης επιρροής στην έξοδό του για να εφαρμόσει ακριβή και βέλτιστο έλεγχο.
Αυτός ο ελεγκτής υπολογίζει συνεχώς μια τιμή σφάλματος ως τη διαφορά μεταξύ ενός επιθυμητού σημείου ρύθμισης και μιας μετρούμενης μεταβλητής διεργασίας.
Στη συνέχεια, εφαρμόζει μια διόρθωση για να ελαχιστοποιήσει το σφάλμα με την πάροδο του χρόνου προσαρμόζοντας τη μεταβλητή ελέγχου.
Εφαρμογές
Αυτός ο ελεγκτής μπορεί να ελέγξει οποιαδήποτε διεργασία έχει μετρήσιμη έξοδο, γνωστή ιδανική τιμή για αυτήν την έξοδο και είσοδο στη διεργασία που θα επηρεάσει τη μετρήσιμη έξοδο.
Οι ελεγκτές χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας, της πίεσης, της δύναμης, του βάρους, της θέσης, της ταχύτητας και οποιασδήποτε άλλης μεταβλητής για την οποία υπάρχει μέτρηση.
Συμπέρασμα
Έτσι, αυτοί ήταν μερικοί από τους πιο συνηθισμένους αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται στη ρομποτική. Όλοι αυτοί οι αλγόριθμοι είναι αρκετά περίπλοκοι με ένα μείγμα φυσικών, γραμμικής άλγεβρας και στατιστικών που χρησιμοποιούνται για τη χαρτογράφηση ενεργειών και κινήσεων.
Ωστόσο, καθώς η τεχνολογία προχωρά, οι αλγόριθμοι της ρομποτικής θα αναπτυχθούν για να γίνουν ακόμη πιο περίπλοκοι. Τα ρομπότ θα είναι σε θέση να ολοκληρώσουν περισσότερες εργασίες και να σκέφτονται περισσότερα για τον εαυτό τους.
Αν σας άρεσε αυτό το άρθρο, εγγραφείτε στο HashDork's Weekly ενημερώσεις μέσω email, όπου μοιραζόμαστε τα τελευταία νέα AI, ML, DL, Programming & Future Tech.
Αφήστε μια απάντηση