Ανάπτυξη Λογισμικού Ευφυούς Αυτόνομου Συστήματος για το irobot Create

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Ανάπτυξη Λογισμικού Ευφυούς Αυτόνομου Συστήματος για το irobot Create ιπλωματική Εργασία του Σαββίδη Θεόδωρου (ΑΕΜ: 1594) Επιβλέπων Καθηγητής :. Βράκας Θεσσαλονίκη 2010 Σελίδα 1

2 Σελίδα 2

3 Πρόλογος Το irobot Create είναι ένα ευφυές αυτόνομο σύστημα το οποίο διαθέτει όργανα δράσης, αισθητήρες, κεντρική μονάδα επεξεργασίας και μια επανα-προγραμματιζόμενη μνήμη. Αυτό που κάνει ένα αυτόνομο σύστημα ευφυές είναι το λογισμικό που έχει προγραμματιστεί και έχει εγγραφεί στην κεντρική μνήμη του. Το λογισμικό αυτό θα πρέπει να μπορεί να χρησιμοποιεί κάποιους κανόνες και αλγόριθμους που έχουν σχεδιαστεί από τον κλάδο της τεχνητής νοημοσύνης για τη βέλτιστη και ταχύτερη λύση του προβλήματος. Στην διπλωματική αυτή θα γίνει μια ανασκόπηση της τεχνολογικής πορείας των ευφυών αυτόνομων συστημάτων από την αρχή της εμφάνισης τους μέχρι και σήμερα καθώς και της ανάπτυξης μερικών θεωρητικών ζητημάτων πάνω στην συμπεριφορά αυτών των συστημάτων. Στην συνέχεα θα προγραμματιστεί το irobot Create έτσι ώστε να μπορεί να υλοποιήσει κάποιες από αυτές τις συμπεριφορές σε πραγματικό περιβάλλον. Τέτοιες συμπεριφορές μπορεί να είναι η αποφυγή εμποδίων με την χρήση διαφόρων τύπων αισθητήρων, η κίνηση πάνω σε ένα μονοπάτι και η κίνηση παράλληλα σε έναν τοίχο σε καθορισμένη απόσταση. Στο irobot Create έχει τοποθετηθεί μια επιπρόσθετη μονάδα ελέγχου (Command Module) μιας και αυτό δεν διαθέτει προγραμματιζόμενη μνήμη παρά μόνο ένα ενσωματωμένο μεταγλωττιστή κωδικοποιημένων εντολών που στέλνονται σε αυτό μέσο της συριακής θύρας επικοινωνίας. Ο προγραμματισμός του Command Module θα γίνει με το πρόγραμμα Programmers Notepad 2 που χρησιμοποίει επιπλέον τον μεταγλωττιστή της AVR (ο επεξεργαστής του Command Module είναι της συγκεκριμένης εταιρίας) και μερικών ακόμη επιπρόσθετων που βοηθούν στην μεταφορά του μεταγλωττισμένου προγράμματος στην μνήμη του Command Module. Η εκπόνηση της εργασίας έγινε στο Εργαστήριο Γλωσσών Προγραμματισμού και Τεχνολογίας Λογισμικού του Τμήματος Πληροφορικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και σε συνεργασία με την ομάδα Λογισμικού Προγραμματισμού και Ευφυών Συστημάτων (LPIS) του τμήματος. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο Δημήτριο Βράκα, λέκτορα του τμήματος πληροφορικής του ΑΠΘ, για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας, τις συμβουλές και τις γνώσεις που αποκόμισα από το μάθημα Ευφυή Αυτόνομα Συστήματα το οποίο διδάσκει ο ίδιος σε συνεργασία με τον κύριο Γρηγόριο Τσουμάκα. Επίσης θα Σελίδα 3

4 ήθελα να ευχαριστήσω και τον κύριο Ιωάννη Βλαχάβα, διευθυντή του εργαστηρίου για την παροχή του απαραίτητου λογισμικού και εξοπλισμού καθώς και τις γνώσεις που αποκόμισα από το μάθημα της Τεχνητής Νοημοσύνης το οποίο διδάσκει ο ίδιος. Τον πιο σημαντικό ρόλο σε όλη μου την διαδρομή μέχρι σήμερα έπαιξαν οι γονείς μου που με έχουν στηρίξει με το παραπάνω σε κάθε μου επιλογή και είναι πάντα δίπλα μου σε κάθε δυσκολία. Φυσικά θα ήθελα να ευχαριστήσω και τους φίλους μου (λίγοι και καλοί) που με κατανοούν και είναι δίπλα μου. Σαββίδης Θόδωρος 29/6/2010 Σελίδα 4

5 Σελίδα 5

6 Περιεχόμενα Πρόλογος... 3 Περιεχόμενα Εισαγωγή Αυτόνομα συστήματα Ορισμός του ρομπότ Η ιστορία των ρομπότ Θεωρία ελέγχου Κυβερνητική (cybernetics) Τεχνητή νοημοσύνη Τα εξαρτήματα ενός ρομπότ Ενσάρκωση Αίσθηση Παθητικοί και ενεργητικοί αισθητήρες Σύνθετοι αισθητήρες ράση Τύποι ενεργών μηχανισμών κίνησης Κινητήρες Χειρισμός Μετακίνηση Η δύναμη του ελεγκτή Αυτονομία Περιγραφή υλικού και λογισμικού irobot create Σελίδα 6

7 Εργοστασιακά προγράμματα Τροφοδοσία Θύρα επέκτασης Σειριακό πρωτόκολλο και επιπρόσθετα κυκλώματα Command Module Τεχνικά χαρακτηριστικά Προγραμματισμός ψηφιακών εισόδων και εξόδων WinAVR Suite Αισθητήρας υπερύθρων Συμβουλές για την σωστή χρήση Αισθητήρας υπερήχων Βοηθητικές κατασκευές Πλατφόρμα κατασκευής Βάσεις αισθητήρων Περιγραφή προβλημάτων Μετακίνηση Μετακίνηση και οδομετρία Ακολουθώντας ένα μονοπάτι Αυτοκατευθυνόμενο ρομπότ Αισθητήρες υπέρυθρων και υπερήχων Αποφυγή εμποδίων με αισθητήρα υπέρυθρων Αποφυγή εμποδίων με αισθητήρα υπερήχων Ακολουθώντας έναν τοίχο Έλεγχος ανατροφοδότησης (feedback control) Αναλογικός έλεγχος ανατροφοδότησης Σελίδα 7

8 Αναλογικός και παράγωγος έλεγχος ανατροφοδότησης Αναλογικός, παράγωγος και ολοκληρωτικός έλεγχος ανατροφοδότησης Αντιδραστικός έλεγχος Αποφυγή εμποδίων Ακολουθώντας έναν τοίχο Λύση προβλημάτων Μετακίνηση Μετακίνηση και οδομετρία Ακολουθώντας ένα μονοπάτι Αυτοκατευθυνόμενο ρομπότ Αισθητήρες υπέρυθρων και υπερήχων Αποφυγή εμποδίων με αισθητήρα υπέρυθρων Αποφυγή εμποδίων με αισθητήρα υπερήχων Ακολουθώντας έναν τοίχο Έλεγχος ανατροφοδότησης (feedback control) Αναλογικός έλεγχος ανατροφοδότησης Αναλογικός και παράγωγος έλεγχος ανατροφοδότησης Αναλογικός, παράγωγος και ολοκληρωτικός έλεγχος ανατροφοδότησης Αντιδραστικός έλεγχος Αποφυγή εμποδίων Ακολουθώντας έναν τοίχο Επίλογος Βιβλιογραφία Παράρτημα Σελίδα 8

9 1. Εισαγωγή Από την αρχαιότητα εμφανίστηκαν συστήματα τα οποία χειρίζονταν άνθρωποι για την επίτευξη διαφόρων σκοπών. Αυτά τα συστήματα ωστόσο δεν θεωρούνται ούτε αυτόνομα ούτε ευφυή, ήταν όμως η βάση για την ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας τα απλά αυτά συστήματα άρχισαν να γίνονται αυτόνομα, να μπορούν δηλαδή χωρίς τον χειρισμό τους από τον άνθρωπο να εκτελέσουν κάποιες προκαθορισμένες ενέργειες για τις οποίες έχουν κατασκευαστεί. Οι έρευνες πάνω στον τομέα της τεχνητής νοημοσύνης και η περαιτέρω τεχνολογική ανάπτυξη έδωσαν σε αυτούς του αυτόνομους μηχανισμούς την δυνατότητα να διαθέτουν κεντρική μονάδα επεξεργασίας και επανα-προγραμματιζόμενη μνήμη καθώς και αισθητήρες ώστε να προγραμματίζονται και να εκτελούν ευφυείς συμπεριφορές. Ένα τέτοιο ευφυές αυτόνομο σύστημα είναι και το irobot Create το οποίο θα πρέπει στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής εργασίας να προγραμματιστεί κατάλληλα και να μπορέσει να υλοποιήσει τις ασκήσεις που έχουν τεθεί προς λύση στο βιβλίο The Robotics Primer του Maja J Mataric. Στο δεύτερο κεφάλαιο αρχικά θα γίνει μια ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη των ευφυών αυτόνομων συστημάτων καθώς και στον ρόλο που έπαιξαν σε αυτήν η τεχνολογία και η τεχνητή νοημοσύνη. Στη συνέχεια θα αναλυθούν τα εξαρτήματα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ρομπότ και οι λειτουργίες που επιτελεί το καθένα, καθώς και οι πληροφορίες που μπορούν να παρέχουν στο ρομπότ για το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται. Στο τρίτο κεφάλαιο θα γίνει αναλυτική αναφορά στα εξαρτήματα που χρησιμοποιήθηκαν στη διπλωματική αυτή, όπως το irobot Create, το Command Module καθώς και διάφοροι τύποι αισθητήρων και κατασκευών που ήταν απαραίτητες για τον συνδυασμό όλων αυτών. Θα γίνει επίσης αναλυτική περιγραφή των βημάτων εγκατάστασης του απαραίτητου λογισμικού για τον προγραμματισμό του Command Module καθώς και των βασικών καταχωρητών του που είναι απαραίτητοι για τον προγραμματισμό. Δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στους αισθητήρες διότι ο καθένας θα πρέπει, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί, να συνδεθεί πρώτα κατάλληλα και έπειτα να ρυθμιστεί σωστά ώστε τα δεδομένα που θα παίρνουμε να είναι ευσταθή και κατανοητά (να μην είναι δηλαδή ένα αναλογικό σήμα σε Volt ή μονάδα μέτρησης χρόνου). Βαρύτητα δίνεται επίσης και στον τρόπο επικοινωνίας με τους αισθητήρες αυτούς και το Command Module, μιας και για τον σκοπό αυτό θα πρέπει να εγγράφονται και να Σελίδα 9

10 διαβάζονται δεδομένα σε διαφορετικούς καταχωρητές για την κάθε θύρα επικοινωνίας που είναι συνδεδεμένος ο κάθε αισθητήρας. Είναι βασικό προτού αρχίσει κάποιος να προγραμματίζει την συμπεριφορά του ρομπότ να γίνει ανάλυση των απαιτήσεων και των μεθόδων που θα πρέπει να ακολουθηθούν. Στο τέταρτο κεφάλαιο λοιπόν γίνεται ανάλυση των απαιτούμενων ρυθμίσεων του υλικού (τοπολογία αισθητήρων, συνδεσμολογίες αισθητήρων) ξεχωριστά για κάθε άσκηση. Γίνεται επίσης ανάλυση της συμπεριφοράς που θα πρέπει να έχει το ρομπότ και των μεθόδων που πρέπει να ακολουθηθούν για την σωστή επίλυση των ασκήσεων. Τέτοιες μέθοδοι μπορεί να περιέχουν χρήση διαφόρων τρόπων ελέγχου όπως είναι ο έλεγχος ανατροφοδότησης (αναλογικός, παράγωγος και ολοκληρωτικός) ή μοντέλων όπως το αντιδραστικό που είναι το πιο διαδεδομένο στα ευφυή αυτόνομα συστήματα. Για την επίλυση των ασκήσεων αρχικά θα πρέπει να υλοποιηθούν κάποιες συναρτήσεις που είναι βασικές για την χρήση των αισθητήρων και την ευκολότερη χρήση αυτών από τα προγράμματα των ασκήσεων. Αυτές οι συναρτήσεις είναι για την δήλωση των ακροδεκτών του Command Module σαν είσοδοι ή έξοδοι καθώς και τον τύπο του σήματος που χρησιμοποιείται σε αυτούς (ψηφιακό ή αναλογικό), επίσης υλοποιήθηκε συνάρτηση για μέτρηση αποστάσεων με τον αισθητήρα υπερήχων καθώς και μια συνάρτηση για τον χειρισμό ενός σερβοκινητήρα (οι υπόλοιπες θα αναλυθούν στο πέμπτο κεφάλαιο). Στο πέμπτο κεφάλαιο λοιπόν γίνεται ανάλυση των υλοποιημένων αυτών συναρτήσεων, της δομής που πρέπει να τηρεί το κάθε πρόγραμμα και της υλοποίησης των ασκήσεων. Επίσης για κάθε άσκηση έχουν προστεθεί στιγμιότυπα από την λειτουργία του ρομπότ σε πραγματικό περιβάλλον για την υλοποιημένη συμπεριφορά κάθε άσκησης καθώς και βίντεο που υπάρχουν στα αρχεία της διπλωματικής. Τέλος στον επίλογο αυτής της διπλωματικής αναλύονται μερικές από τις δυσκολίες που αντιμετωπίστηκαν καθώς και μια γενική επισκόπηση ολόκληρης της διπλωματικής όσον αναφορά το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε και το υλικό. Αναφέρονται επίσης προβλήματα προς λύση και πρόσθετα κυκλώματα για την χρήση τους στο irobot Create σε μελλοντικές διπλωματικές εργασίες. Το παράρτημα περιέχει συνοπτική ανάλυση των αρχείων που επισυνάπτονται στα έγγραφα της διπλωματικής. Σελίδα 10

11 2. Αυτόνομα συστήματα 2.1. Ορισμός του ρομπότ Είναι δύσκολο να οριστεί ακριβώς τι είναι ένα ρομπότ. Υπάρχουν πολλά ερωτήματα που είναι δύσκολο να απαντηθούν όπως το τι πρέπει και τι δεν πρέπει να κάνει ένα ρομπότ καθώς επίσης και πως θα εξελιχθεί στο μέλλον. Η ονομασία ρομπότ προέρχεται από την λέξη robota που σημαίνει υποχρεωτική εργασία και χρησιμοποιήθηκε από τον Τσέχο Karel Capek. Η ιδέα ενός ρομπότ και γενικότερα μιας μηχανής που βοηθάει τον άνθρωπο εμφανίστηκε πολύ πριν τον Capek μιας και η πρώτη αναφορά εντοπίζεται χρόνια πίσω, και συγκεκριμένα την εποχή που οι αρχαίοι Αιγύπτιοι χρησιμοποιούσαν μηχανές τις οποίες χειρίζονταν άνθρωποι, χωρίς να μπορούμε όμως να τις χαρακτηρίσουμε ως ρομπότ. Ως ρομπότ, λοιπόν, ορίζουμε ένα αυτόνομο σύστημα, το οποίο υπάρχει στον φυσικό κόσμο, μπορεί να αντιληφθεί το περιβάλλον γύρω του και να ενεργήσει σε αυτό για να επιτύχει κάποιους στόχους. Ένα αυτόνομο ρομπότ δρα βάσει των δικών του αποφάσεων και δεν ελέγχεται ή καθοδηγείται από κάποιον άνθρωπο. Ωστόσο υπάρχουν και συστήματα τα οποία δεν είναι αυτόνομα αλλά καθοδηγούνται από κάποιον άνθρωπο σε απόσταση και ονομάζονται τηλεχειριζόμενα. Αυτές οι μηχανές δεν θεωρούνται ρομπότ, παρόλο που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον, μιας και δεν είναι αυτόνομα συστήματα αφού καθοδηγούνται από ανθρώπους. Η πραγματική πρόκληση της ρομποτικής είναι η ύπαρξη ενός ρομπότ στις αληθινές δυσκολίες που υπάρχουν στο Σελίδα 11

12 φυσικό περιβάλλον. Βέβαια υπάρχουν ρομπότ που προσομοιώνονται σε υπολογιστικό περιβάλλον, όμως σε περιβάλλον προσομοίωσης δεν υπάρχουν τόσο πολύπλοκες καταστάσεις όπως στον πραγματικό κόσμο. Κάθε ρομπότ διαθέτει ένα πλήθος από αισθητήρες με τους οποίους μπορεί να αισθανθεί το περιβάλλον, δηλαδή να παίρνει δεδομένα από αυτό. Οι ενέργειες που θέλουμε να κάνει ένα ρομπότ βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στα δεδομένα που παίρνει από τους αισθητήρες και στον τρόπο που θα προγραμματίσουμε το ρομπότ να τα συνδυάζει. Μια μηχανή η οποία υπάρχει στον φυσικό κόσμο, τον αντιλαμβάνεται αλλά ενεργεί τυχαία, δεν αποτελεί ρομπότ καθώς δεν ενεργεί για να πετύχει κάποιο στόχο. Ρομποτική είναι η μελέτη της αυτόνομης αίσθησης αντίληψης και δράσης στον φυσικό κόσμο Η ιστορία των ρομπότ Σε αυτήν την ενότητα θα ασχοληθούμε με την εξέλιξη των ρομπότ στην διάρκεια του χρόνου καθώς και με την θεωρία έλεγχου, την τεχνητή νοημοσύνη και την σχέση ανάμεσα στην βιολογία και την ρομποτική Θεωρία ελέγχου Είναι η μαθηματική μελέτη των ιδιοτήτων των αυτόνομων συστημάτων ελέγχου που κυμαίνονται από τις ατμομηχανές έως τα αεροπλάνα. Αποτελεί ένα από τα θεμέλια της μηχανικής και μελετά μια μεγάλη ποικιλία μηχανικών συστημάτων που αποτελούν βασικό κομμάτι της καθημερινότητας. Η κατασκευή αυτόνομων συστημάτων και η ανάλυση της λειτουργίας τους, χρονολογείται από παλιά, καθώς πιστεύεται πως η θεωρία ελέγχου προέρχεται από τους αρχαίους Έλληνες, αν όχι νωρίτερα. Στις αρχές του 20 ου αιώνα χρησιμοποιήθηκαν τα κλασικά μαθηματικά στην προσπάθεια να γίνει κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας πολλών μηχανικών επιτευγμάτων του παρελθόντος και έτσι δόθηκε μια νέα διάσταση στην θεωρία ελέγχου Κυβερνητική (cybernetics) Ένας ακόμη τομέας που σχετίζεται με την ρομποτική είναι η κυβερνητική (cybernetics) η οποία εμφανίστηκε περίπου την δεκαετία του 40. Μελετά βιολογικά συστήματα, από το επίπεδο των νευρώνων ως το επίπεδο συμπεριφορών, και προσπαθεί να τα υλοποιήσει σε απλά ρομπότ. Έτσι βασικό στοιχείο είναι η αλληλεπίδραση των μηχανισμών-οργανισμών με το περιβάλλον που βρίσκονται. Αξίζει να σημειωθεί πως αυτή η αλληλεπίδραση είναι Σελίδα 12

13 αρκετά πολύπλοκη. Τέλος, η ονομασία cybernetics προέρχεται από την ελληνική λέξη κυβερνήτης. Gray Walter s Tortoise O William Gray Walter ασχολήθηκε με τον τρόπο λειτουργίας του μυαλού, κάνοντας ανακαλύψεις όπως τα εγκεφαλικά κύματα Θ και Δ. Βιομιμητικές είναι οι μηχανές που μιμούνται κατά κάποιο τρόπο τα βιολογικά συστήματα. Οι πιο γνωστές βιομιμητικές μηχανές του Walter ήταν οι ονομαζόμενες χελώνες Elmer (ηλεκτρομηχανικά ρομπότ) και Elsie (φωτοευαίσθητα ρομπότ) μια από αυτές απεικονίζεται στην Εικόνα 2-1. Αποτελούνταν από 3 ρόδες, η μπροστινή χρησίμευε για την οδήγηση και οι 2 οπίσθιες για την κίνηση. Οι μηχανές αυτές καλύπτονταν από ένα διάφανο πλαστικό κέλυφος κάνοντας τες να μοιάζουν με ζωντανά πλάσματα. Τέλος, συνήθιζε να δίνει στις μηχανές του ονόματα τα οποία περιέγραφαν την συμπεριφορά της κάθε μίας. Εικόνα 2-1 Machina Speculatrix Στην Εικόνα 2-1 βλέπουμε μια τέτοια μηχανή η οποία αποτελείται από : 1 φωτοκύτταρο ανίχνευσης φωτός, 1 αισθητήριο επαφής, 1 επαναφορτιζόμενη μπαταρία, 3 μηχανές- μια για κάθε ρόδα, 1 αναλογικό κύκλωμα που χρησιμοποιεί 2 λυχνίες και συνέδεε τους 2 αισθητήρες με τις ρόδες και ουσιαστικά λειτουργούσε σαν εγκέφαλος. Ήταν εφοδιασμένο με τις εξής συμπεριφορές και λειτουργίες : βρες το φως, κατευθύνσου προς αυτό, απομακρύνσου από το λαμπερό φως, στρίψε ώστε να αποφεύγεις εμπόδια και τέλος να φορτίζει τις μπαταρίες. Ουσιαστικά χρησιμοποίησε το αντιδραστικό μοντέλο ελέγχου που θα αναλυθεί παρακάτω. Σελίδα 13

14 Ο Grey Walter πίστευε πως η νοημοσύνη που μπορεί να έχουν οι ζωντανοί οργανισμοί, μπορούσε να προσομοιωθεί σε ένα ρομπότ με συνδυασμό τεχνικών ρομποτικής και τεχνητής νοημοσύνης. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτά τα ρομπότ του Walter υπάρχουν στα μουσεία και διατηρούνται μέχρι και σήμερα. Braitenberg s Vechicles Εμπνευσμένος από τον Walter, ο Valentino Braitenberg έγραψε το βιβλίο (Vehicles), που περιγράφει μια σειρά ιδεών για το πώς κάποιος μπορεί να σχεδιάσει απλά ρομπότ και να τα κάνει να παράγουν συμπεριφορές που να μοιάζουν με αυτές έμβιων οργανισμών. Οι μηχανές του Braitenberg είχαν αρχικά μια απλή δομή, αποτελούνταν δηλαδή από έναν κινητήρα και έναν αισθητήρα φωτός που σταδιακά εξελίχθηκαν χρησιμοποιώντας πιο πολλούς κινητήρες και αισθητήρες με διαφορετικές συνδέσεις μεταξύ τους. Οι αισθητήρες ήταν άμεσα συνδεδεμένοι με τους κινητήρες, οπότε αν ανίχνευαν ολοένα και περισσότερο φως το ρομπότ θα απομακρυνόταν από τη φωτεινή πηγή (φωτοφοβική συμπεριφορά photophobic), Εικόνα 2-2 a. Εικόνα 2-2 Εναλλακτικά αν συνδέονταν οι αισθητήρες αντίθετα (δεξής αισθητήρας με αριστερή ρόδα και το αντίθετο) τότε όσο περισσότερο φως ανίχνευαν τόσο πιο αργά θα μετακινούνταν και θα πλησίαζε την πηγή φωτός το ρομπότ (φωτοφιλική συμπεριφορά photophilic), Εικόνα 2-2 b. Σελίδα 14

15 Γενικότερα μπορούμε να έχουμε διεγερτική σύνδεση (excitatory connection) όπου η είσοδος διεγείρει την έξοδο, ενώ αντίθετα ανασταλτική σύνδεση (inhibitory connection) όπου η είσοδος αναστέλλει την έξοδο Τεχνητή νοημοσύνη Στο συνέδριο που έγινε το 1956 στο Dartmouth University ουσιαστικά τέθηκαν οι βάσεις για την ανάπτυξη του τομέα της τεχνητής νοημοσύνης. Ο στόχος του συνεδρίου ήταν να συζητηθεί η κατασκευή μηχανών με νοημοσύνη, για να επιτευχθεί όμως αυτό κατέληξαν ότι ήταν απαραίτητο στις μηχανές αυτές να χρησιμοποιηθούν τα παρακάτω: εσωτερικό μοντέλο του κόσμου, αναζήτηση ανάμεσα σε πιθανές λύσεις, σχεδιασμός και συλλογισμός για την λύση του προβλήματος, συμβολική αναπαράσταση των πληροφοριών του κόσμου, ιεραρχικό μοντέλο οργάνωσης και διαδοχική εκτέλεση του προγράμματος. Shakey Αποτελεί ένα καλό παράδειγμα ενός ρομπότ εμπνευσμένου από την τεχνητή νοημοσύνη. Χρησιμοποιούσε αισθητήρες επαφής και μια κάμερα. Το περιβάλλον του ήταν κλειστό και αποτελούνταν από ένα επίπεδο άσπρο δάπεδο και μερικά μεγάλα μαύρα εμπόδια, και αυτό που είχε να κάνει ήταν να σχεδιάζει τον δρόμο που θα ακολουθήσει μέσα σε αυτό το περιβάλλον. Το Shakey απεικονίζεται στην Εικόνα 2-3. Hilare Είναι ένα από τα παλαιότερα ρομπότ και χρησιμοποιεί : μια βιντεοκάμερα, αισθητήρες υπερήχων και ένα laser για μέτρηση αποστάσεων, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2-4. Εικόνα 2-3 Εικόνα 2-4 Σελίδα 15

16 Cart Ήταν ένα καροτσάκι πάνω σε ρόδες ποδηλάτου (Εικόνα 2-5) και χρησιμοποιούσε μηχανική όραση για να κινηθεί στο χώρο. Κινούνταν αργά, όχι γιατί σχεδιάστηκε να κινείται έτσι, αλλά γιατί η επεξεργασία των πληροφοριών ήταν αργή. Rover Εικόνα 2-5 Χρησιμοποιούσε κάμερα και αισθητήρες υπερήχων για πλοήγηση. Όπως φαίνεται το μόνο που έκαναν αυτά τα ρομπότ ήταν να πλοηγούνται στο χώρο το οποίο ήταν αρκετά δύσκολο. Καταλήγοντας, η τεχνητή νοημοσύνη είναι πολύ διαφορετική από την κυβερνητική όσον αναφορά τους στόχους και τις προσεγγίσεις. Για να είναι όμως ένα ρομπότ σταθερό (να μην υπάρχουν δηλαδή απρόβλεπτες καταστάσεις κατά την λειτουργία του), γρήγορο και έξυπνο πρέπει να συνδυαστούν οι δυο προηγούμενοι τομείς, δηλαδή τεχνητή νοημοσύνη και κυβερνητική Τα εξαρτήματα ενός ρομπότ Βάσει του ορισμού του ρομπότ μπορούμε να ξεχωρίσουμε τα μέρη που το απαρτίζουν : Έναν κορμό πάνω στον οποίο θα είναι προσαρτημένα όλα τα εξαρτήματά του. Αισθητήρες για να αισθάνεται το περιβάλλον γύρω του. Όργανα δράσης για να μπορεί να ενεργεί. Έναν ελεγκτή ο όποιος θα συντονίζει τις 2 προηγούμενες κατηγορίες εξαρτημάτων. Σελίδα 16

17 Ενσάρκωση Ο κορμός που έχει κάθε ρομπότ του δίνει την δυνατότητα να κάνει αρκετά πράγματα αλλά έχει και κάποιους περιορισμούς. Μερικοί από τους αυτούς είναι : Ένα ρομπότ πρέπει να υπακούει στους φυσικούς νόμους όπως και στα έμβια όντα. Πρέπει να γνωρίζει τι υπάρχει στον χώρο ώστε να το αποφεύγει. Υπάρχει περιορισμός σχετικά με το εύρος των κινήσεων που μπορεί να κάνει το ρομπότ με αυτόν τον κορμό. Ο κορμός καθορίζει το πόσο γρήγορα μπορεί να κινηθεί ένα ρομπότ Αίσθηση Οι αισθητήρες είναι όργανα με τα οποία το ρομπότ μπορεί να αντιληφθεί το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται. Η αίσθηση και η αντίληψη σχετίζονται με τη διαδικασία εξαγωγής πληροφοριών από τους αισθητήρες. Όπως το κάθε έμβιο ον έχει εξειδικευμένα αισθητήρια ανάλογα με τις ανάγκες του έτσι και το κάθε ρομπότ πρέπει ανάλογα με τον σκοπό για τον οποίο δημιουργείται να έχει και τους κατάλληλους αισθητήρες. Οι αίσθηση βοηθάει το ρομπότ ώστε να γνωρίζει οποιαδήποτε στιγμή την οικοθέση (niche) του σε σχέση με το περιβάλλον. Η αίσθηση βοηθάει το ρομπότ να γνωρίζει την κατάσταση του. Μπορούμε να πούμε ότι έχουμε τρεις κατηγορίες καταστάσεων : παρατηρήσιμη, μερικώς παρατηρήσιμη και κρυμμένη. Η κατάσταση μπορεί να είναι είτε συνεχής είτε διακριτή ανάλογα με τις πληροφορίες που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή του συστήματος. Ο χώρος καταστάσεων αποτελείται από όλες τις πιθανές καταστάσεις που μπορεί να βρεθεί το σύστημα. Εξωτερική κατάσταση είναι η κατάσταση του περιβάλλοντος όπως την αντιλαμβάνεται το ρομπότ από τα αισθητήρια όργανά του, π.χ. η απόσταση από ένα αντικείμενο. Εσωτερική κατάσταση είναι η κατάσταση του ρομπότ όπως την αντιλαμβάνεται αυτό. Η εσωτερική κατάσταση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομνημόνευση πληροφοριών για το περιβάλλον π.χ. ένας χάρτης ή η διαδρομή που ακολουθήθηκε σε έναν λαβύρινθο. Αυτή η ιδιότητα λέγεται αναπαράσταση ή εσωτερικό μοντέλο. Όλοι οι αισθητήρες ενός ρομπότ μαζί δημιουργούν τον χώρο όλων των πιθανών εισόδων από αυτούς ο οποίος ονομάζεται χώρος αντίληψης-αίσθησης. Τα είδη των αισθητήρων μπορούν να διακριθούν σε : Σελίδα 17

18 Αυτοαντίληψης (proprioception) : αυτοί οι αισθητήρες αντιλαμβάνονται την εσωτερική κατάσταση του ρομπότ όπως τις θέσεις των τροχών, τις γωνίες των αρθρώσεων, και την κατεύθυνσή του (Εικόνα 2-6). Ετεροαντίληψης (exteroception) : αυτοί οι αισθητήρες αντιλαμβάνονται την κατάσταση του περιβάλλοντος γύρω από το ρομπότ όπως το επίπεδο του φωτός, αποστάσεις από αντικείμενα και επίπεδα ήχου (Εικόνα 2-6). Εικόνα 2-6 Οι αισθητήρες είναι φυσικές συσκευές που μετράνε φυσικές ποσότητες, ενώ είναι δυνατό να μετρήσουμε μια φυσική ποσότητα με περισσότερους από ενός είδους αισθητήρες [πίνακας 2.4.1]. Έτσι αν χρησιμοποιήσουμε περισσότερους από έναν αισθητήρες για την μέτρηση μιας φυσικής ποσότητας θα έχουμε και μεγαλύτερη ακρίβεια στο αποτέλεσμα. Αβεβαιότητα (uncertainty) έχουμε και στους αισθητήρες που είναι η ανικανότητα του ρομπότ να γνωρίζει επακριβώς πληροφορίες για το ίδιο καθώς και το περιβάλλον του. Σημαντικότερες πηγές αβεβαιότητας είναι θόρυβος και λάθη από τους αισθητήρες, υπέρβαση ορίου τιμών στους αισθητήρες (π.χ. σε έναν αισθητήρα υπερύθρων κάθε αντικείμενο πέρα από τα 70 εκατοστά το βλέπει σαν να είναι στα 70 εκατοστά), θόρυβος που προέρχεται από τα όργανα δράσης και τους μηχανισμούς κίνησης και καταστάσεις που είναι μερικώς παρατηρήσιμες ή κρυμμένες. Ο κάθε αισθητήρας χαρακτηρίζεται και από την ποσότητα των δεδομένων που παρέχει. Ένας απλός αισθητήρας αφής χρειάζεται μόνο 1 bit για να χαρακτηρίσει την κατάσταση του. Μια κάμερα όμως με ανάλυση 512*512 θα χρειαστεί pixel δηλαδή αν είναι ασπρόμαυρη 32kb. Όσο μεγαλύτερη είναι όμως η πληροφορία τόσο περισσότερη επεξεργασία χρειάζεται, επομένως είναι ακατάλληλοι για άμεσες αντιδράσεις. Παρόλα αυτά χρησιμοποιούνται για εσωτερική αναπαράσταση του κόσμου και πιο σύνθετες λειτουργίες όπως αναγνώριση αντικειμένων μέσω της κάμερας. Κανένας σχεδόν αισθητήρας δεν παράγει στην έξοδό του αυτούσια την πληροφορία για την οποία είναι κατασκευασμένος είτε θα την παράγει σαν ψηφιακό παλμό είτε σαν Σελίδα 18

19 αναλογικό σήμα, γι αυτό και πρέπει το σήμα να μετατραπεί στη ποσότητα που μας ενδιαφέρει. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται προ-επεξεργασία αισθητήρων (sensor preprocessing). Αντίληψη Η αντίληψη είναι αποτέλεσμα της αίσθησης σε συνδυασμό με την επεξεργασία. Για την αντίληψη λοιπόν είναι προφανές ότι χρειαζόμαστε τους αισθητήρες, ένα κύκλωμα για την ανάλυση του αναλογικού ή ψηφιακού σήματος, όπως ένα μικρο-επεξεργαστή, ηλεκτρονικά κυκλώματα που λειτουργούν σαν προσαρμογείς για την σύνδεση των αισθητήρων με τον επεξεργαστή, μπαταρίες και καλώδια για την σύνδεση των παραπάνω. Για την αύξηση της απόδοσης της αντίληψης υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι κάποιοι από τους οποίους είναι: Προσανατολισμός στις ενέργειες (action oriented): αντί να προσπαθήσει να ανακατασκευάσει το περιβάλλον για να αποφασίσει τι θα κάνει, το ρομπότ μπορεί να προσανατολίσει την αίσθησή του σε κάποια συγκεκριμένα ερεθίσματα. Βάσει των προσδοκιών του (expectation based) πρέπει να χρησιμοποιήσει την γνώση για το περιβάλλον για να καθοριστεί ο τρόπος που τα δεδομένα των αισθητήρων θα ερμηνευτούν. Βάσει του στόχου (task driven attention), οι αισθητήρες πρέπει να προσανατολιστούν προς την κατεύθυνση όπου πιθανώς βρίσκονται οι περισσότερες πληροφορίες που χρειάζεται. Κατηγορίες αντίληψης (perceptual classes): διαχωρισμός του περιβάλλοντος σε κατηγορίες αντίληψης που είναι χρήσιμες για την επίτευξη του στόχου. Ένα παράδειγμα σύνθετης αντίληψης είναι η αναγνώριση ενός ανθρώπου στο περιβάλλον. Η προφανής απάντηση είναι να χρησιμοποιηθεί μια κάμερα αλλά αυτό δεν είναι και πολύ εύκολο στην πράξη μιας και απαιτούνται πολύπλοκοι αλγόριθμοι (αναγνώριση προτύπων) καθώς και μεγάλη υπολογιστική ισχύς. Πιο απλοί τρόποι είναι: Αισθητήρες θερμοκρασίας που ψάχνουν για θερμοκρασίες κοντά σε αυτές του ανθρώπινου σώματος. Αισθητήρες κίνησης για τον εντοπισμό κάποιας κίνησης στον χώρο. Αισθητήρες χρώματος για αναζήτηση συγκεκριμένων χρωμάτων όπως το χρώμα του δέρματος. Σελίδα 19

20 Αισθητήρες απόστασης που όταν ξαφνικά εντοπίσουν κάτι μπροστά του σημαίνει ότι είναι άνθρωπος Παθητικοί και ενεργητικοί αισθητήρες Οι παθητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούν την ενέργεια του περιβάλλοντος για να κάνουν τις μετρήσεις μιας ιδιότητας αυτού. Για παράδειγμα ένας αισθητήρας φωτός είναι παθητικός καθώς μετράει την ενέργεια του φωτός. Αντίθετα, οι ενεργητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούν δικά τους σήματα για τις μετρήσεις που στέλνονται από έναν πομπό (emitter) και μετά διαβάζουν το ανακλώμενο σήμα με έναν δέκτη (detector). Για παράδειγμα ένας αισθητήρας υπερήχων αποτελεί χαρακτηριστική περίπτωση ενεργητικού αισθητήρα. ιακόπτες Είναι από τους πιο απλούς αισθητήρες (Εικόνα 2-7) και παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες σε επίπεδο ηλεκτρονικών κυκλωμάτων μιας και διαθέτουν δυο καταστάσεις λειτουργίας Κλειστό κύκλωμα (όταν έχουμε επαφή) Ανοιχτό κύκλωμα (σε κατάσταση αδράνειας) Οι διακόπτες έχουν τις ακόλουθες εφαρμογές : Αισθητήρες επαφής (contact sensors) που ανιχνεύουν επαφή με κάποιο άλλο αντικείμενο. Αισθητήρες ορίων (limit sensors) που ανιχνεύουν πότε ένας μηχανισμός φτάνει στα όρια της επιτρεπόμενης κίνησής του. Δυο τέτοιους αισθητήρες βλέπουμε στην Εικόνα 2-8. Αισθητήρες κωδικοποίησης άξονα (shaft encoder) ανιχνεύουν πόσες στροφές έκανε ένας άξονας ανοιγοκλείνοντας το κύκλωμα σε κάθε περιστροφή. Εικόνα 2-7 Εικόνα 2-8 Σελίδα 20

21 Αισθητήρες φωτός Οι αισθητήρες φωτός μετράνε το επίπεδο φωτός που προσπίπτει πάνω τους και αποτελούνται από φωτοκύτταρα. Τα φωτοκύτταρα (photocells) είναι ευαίσθητα στο φως και αναπαριστούν την ένταση του φωτός με την μεταβολή της αντίστασής τους στο κύκλωμα (Εικόνα 2-9). Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την μέτρηση του φωτός στο περιβάλλον, για την μέτρηση της διαφοράς μεταξύ πολλών αισθητήρων φωτός και για την μέτρηση διακοπών μιας ακτίνας φωτός. Αισθητήρες πολωμένου φωτός Με την χρήση ενός πολωμένου φίλτρου φωτός μπροστά από έναν απλό αισθητήρα φωτός μπορούμε να μετρήσουμε την ένταση των κυμάτων φωτός που μεταδίδονται στην κατεύθυνση που είναι κατασκευασμένο το φίλτρο να αφήνει να περνάνε. Εικόνα 2-9 Εικόνα 2-10 Για παράδειγμα στην Εικόνα 2-10 φαίνεται ένα φίλτρο με οριζόντια πόλωση το οποίο δεν αφήνει κανένα άλλο ηλεκτρομαγνητικό κύμα παρά μόνο αυτά που μεταδίδονται οριζόντια. Φωτοαισθητήρες ανάκλασης Όπως είναι εμφανές και από το όνομα τους αυτοί οι αισθητήρες βασίζονται στο φαινόμενο της ανάκλασης του φωτός για την λειτουργία τους. Ανήκουν στους ενεργούς αισθητήρες μιας και διαθέτουν έναν πομπό που εκπέμπει φως (συνήθως led) και έναν δέκτη που λαμβάνει το ανακλώμενο φως (συνήθως φωτο-δίοδος ή φωτο-τρανζίστορ). Μπορούν να διακριθούν σε 2 υποκατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής τους. Αισθητήρες ανάκλασης. Ο πομπός και ο δέκτης είναι τοποθετημένοι στην ίδια επιφάνεια και προς την ίδια κατεύθυνση (Εικόνα 2-11), οπότε αν ένα αντικείμενο βρεθεί μπροστά στον αισθητήρα τότε θα το αντιληφθεί. Σελίδα 21

22 Αισθητήρες διακοπής δέσμης. Ο πομπός και ο δέκτης είναι τοποθετημένοι αντικριστά με ένα διάκενο ανάμεσα τους (Εικόνα 2-12). Ο αισθητήρας αντιλαμβάνεται όταν κάτι διακόψει την ακτίνα του πομπού προς τον δέκτη. Εικόνα 2-11 Εικόνα 2-12 Μερικές χρήσιμες εφαρμογές των αισθητήρων ανάκλασης είναι η ανίχνευση αντικειμένων μπροστά από τον αισθητήρα ή η μέτρηση της απόστασης από αυτό, ανίχνευση των ιδιοτήτων μιας επιφάνειας (όπως να ξεχωρίσει μια γραμμή στο δάπεδο και να την ακολουθήσουμε), ανάγνωση bar code και στοιχεία για την περιστροφή αξόνων (ταχύτητα περιστροφής, φορά περιστροφής και θέση κατά την περιστροφή). Θόρυβος σε αισθητήρες φωτός Η ιδανική λειτουργία ενός αισθητήρα φωτός επιτυγχάνεται όταν το επίπεδο φωτός του περιβάλλοντος (ambient light) είναι μηδαμινό. Επειδή αυτό όμως δεν ισχύει στις περισσότερες περιπτώσεις το ρομπότ πρέπει να αγνοεί αυτό το φως για να κάνει σωστές μετρήσεις. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος μπορούμε να προβούμε σε ρύθμιση (calibration) του αισθητήρα πριν αρχίσουμε τις μετρήσεις. Αυτό γίνεται έχοντας κλειστό τον πομπό του αισθητήρα και παίρνοντας διαδοχικά δείγματα του επιπέδου φωτός στο περιβάλλον και βρίσκουμε τον μέσο όρο αυτών των μετρήσεων. Οπότε σε κάθε μέτρηση που κάνουμε αφαιρούμε αυτόν τον μέσο όρο και έχουμε μόνο το επίπεδο φωτός που θέλουμε να μετρήσουμε. Ένας άλλος τρόπος είναι η χρήση διαφορετικού μήκους φωτός ή πολωμένο φως. Αισθητήρες υπερύθρων Το ορατό φως (visible light) είναι φως στο διάστημα των συχνοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο μάτι. Το υπέρυθρο Σελίδα 22

23 (infrared) φως δεν ανήκει στην περιοχή συχνοτήτων του ορατού φωτός και χρησιμοποιείται σε αισθητήρες ανάκλασης και διακοπής ακτίνας όπως και με το ορατό φως. Τα πλεονεκτήματα όμως των αισθητήρων αυτών είναι ότι έχουν μικρή ευαισθησία στον θόρυβο και το φως που χρησιμοποιούν δεν είναι ορατό από τον άνθρωπο. Η Εικόνα 2-13 είναι μια φωτογραφία από κάμερα υπέρυθρων. Εικόνα 2-13 Κωδικοποιητές άξονα Οι κωδικοποιητές άξονα μετράνε την γωνιακή περιστροφή ενός άξονα και μπορούν να δώσουν πληροφορίες όπως την θέση και την ταχύτητα περιστροφής του άξονα στον οποίο είναι τοποθετημένοι. Οι κωδικοποιητές άξονα μπορούν να χρησιμοποιήσουν τριών ειδών αισθητήρες : Έναν δίσκο με περιοχές που έχουν μέταλλο και άλλες όχι και μια επαφή που πατά πάνω σε αυτές έτσι ώστε να κλείνει και να ανοίγει ένα κύκλωμα όπως στην Εικόνα Έναν δίσκο με οπές και έναν αισθητήρα διακοπής δέσμης (Εικόνα 2-15) ο όποιος θα αντιλαμβάνεται το πότε μια οπή περνά ανάμεσα του και πότε όχι. Σελίδα 23

24 Εικόνα 2-14 Εικόνα 2-15 Έναν δίσκο με περιοχές που ανακλούν το φως και περιοχές που δεν το ανακλούν, έτσι ένας αισθητήρας ανάκλασης αντιλαμβάνεται την κίνηση (Εικόνα 2-16). Ένας περιορισμός στους κωδικοποιητές άξονα είναι ότι δεν μπορούν μεμονωμένοι να δώσουν πληροφορίες για την φορά περιστροφής του άξονα. Την λύση έρχεται να δώσει η ορθογώνια κωδικοποίηση άξονα (quadrature shaft encoding) όπου χρησιμοποιούνται δυο αισθητήρες διακοπής δέσμης με διαφορά φάσης στο σήμα εξόδου τους 90 ο, όπως φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 2-16 Εικόνα Σύνθετοι αισθητήρες Μέχρι τώρα οι αισθητήρες για τους οποίους μιλήσαμε δεν χρειάζονταν μεγάλη επεξεργασία και πολύπλοκους υπολογισμούς μιας και η έξοδός τους ήταν απλή. Σελίδα 24

25 Ηχοβολιστικοί αισθητήρες Στην Εικόνα 2-18 φαίνονται μερικοί ηχοβολιστικοί αισθητήρες (sonar), οι οποίοι υπολογίζουν την απόσταση ενός αντικείμενου με την διάδοση ηχητικών σημάτων. Ο πομπός στέλνει ένα ηχητικό σήμα, το οποίο ή θα εξασθενίσει ή θα ανακλαστεί από κάποιο αντικείμενο. Εάν ανακλαστεί τότε επιστρέφει στον δέκτη και έτσι γνωρίζοντας τον χρόνο που έκανε το σήμα να ανακλαστεί και την ταχύτητα διάδοσής του στο μέσο μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση του αντικειμένου (απόσταση = χρόνος ανάκλασης * ταχύτητα διάδοσης). Εικόνα 2-18 Αισθητήρες υπερήχων Οι αισθητήρες υπερήχων είναι ηχοβολιστικά που το μήκος κύματος των ηχητικών σημάτων που στέλνουν δεν ανήκουν στο φάσμα συχνοτήτων που αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο αυτί. Εκπέμπουν συνήθως το ηχητικό σήμα σε μορφή κώνου με γωνία έως και 30 ο (Εικόνα 2-19). Εικόνα 2-19 Σελίδα 25

26 Μπορούν να αντιληφθούν αντικείμενα μέχρι και 10 μέτρα μακριά, εάν δεν υπάρχει αντικείμενο μέσα σε αυτά τα 10 μέτρα επιστρέφει την τιμή 10 μέτρα που ουσιαστικά είναι το άπειρο. Η εμβέλεια του κάθε αισθητήρα εξαρτάται από την ισχύ του σήματος που στέλνει. Στις περισσότερες περιπτώσεις το σήμα του αισθητήρα δεν προσπίπτει κάθετα στα αντικείμενα με αποτέλεσμα να ανακλάται σε άλλη κατεύθυνση ή μετά από διαδοχικές ανακλάσεις να επιστρέφει στον αισθητήρα δίνοντας όμως λάθος μέτρηση (Εικόνα 2-20). Για την αντιμετώπιση αυτών των περιπτώσεων μπορούμε να αλλάξουμε το περιβάλλον (ιδανική περίπτωση), να χρησιμοποιήσουμε πολλαπλούς αισθητήρες για επαλήθευση ή να χρησιμοποιήσουμε ενεργή αίσθηση. Εικόνα 2-20 Μέτρηση απόστασης με Laser Η αρχή λειτουργίας τους είναι η ίδια με τους αισθητήρες υπερήχων μόνο που αντί για ηχητικό σήμα εδώ έχουμε μονοχρωματική ακτινοβολία υψηλής έντασης. Μιας και το φως μεταδίδεται ταχύτερα στο μέσο απ ότι ο ήχος, μπορεί να παίρνει περισσότερες μετρήσεις στην μονάδα του χρόνου. Έτσι μας δίνει μεγαλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις και μικρότερη ευαισθησία στις ανακλάσεις. Στην Εικόνα 2-21 φαίνεται ένας τέτοιος αισθητήρας laser. Σελίδα 26

27 Εικόνα 2-21 Επειδή όμως η ακτίνα του laser είναι πολύ μικρή, για να έχουμε μια εικόνα του κόσμου μπροστά από το ρομπότ πρέπει να πάρουμε αρκετές μετρήσεις σε διαφορετικές γωνίες (laser ranger). Μπορεί να δείχνει σαν τον ιδανικό αισθητήρα όμως το κόστος του είναι αρκετά υψηλότερο από αυτό των ηχοβολιστικών, με μεγαλύτερο βάρος και μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Στην Εικόνα 2-22 η κόκκινη κάθετη γραμμή που εμφανίζεται είναι κάποιο εμπόδιο, πιθανότατα ένας τοίχος, που με κανένα άλλο αισθητήρα δεν θα είχαμε τόσο καθαρή εικόνα για το τι υπάρχει στο περιβάλλον. Εικόνα 2-22 Μηχανική όραση Η ερευνητική περιοχή που μελετά την όραση στις μηχανές ονομάζεται μηχανική όραση και συνήθως υλοποιείται με μια κάμερα και ισχυρούς αλγορίθμους. Η μηχανική όραση καλείται να επεξεργαστεί τις φωτογραφίες από την κάμερα και να αναγνωρίσει πρότυπα Σελίδα 27

28 (Εικόνα 2-23) και αποστάσεις αντικειμένων για την εσωτερική αναπαράσταση του κόσμου. Εικόνα 2-23 Η αρχή λειτουργίας μιας κάμερας βασίζεται στον φακό, από όπου περνά το φως, και μια επιφάνεια με φωτοευαίσθητα στοιχεία. Η επιφάνεια αυτή αποτελείται από εικονοστοιχεία (pixels) και το πλήθος αυτών χαρακτηρίζει την ποιότητα της εικόνας. Μια τεχνική μηχανικής όρασης είναι ο εντοπισμός των ακμών σε μια εικόνα. Οι ακμές σε μια εικόνα είναι τα σημεία στα οποία εμφανίζεται έντονη αλλαγή της φωτεινότητας. Με την συνέλιξη της εικόνας και ενός φίλτρου μπορεί να απομονωθεί ο θόρυβος. Μετά μπορούμε να κάνουμε κατάτμηση (segmentation) της εικόνας σε τμήματα που περιέχουν περιγράμματα αντικειμένων. Αφού γίνουν τα προηγούμενα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια βάση από πρότυπα έτσι ώστε να αναγνωριστεί το περίγραμμα των αντικειμένων στις εικόνες. Στερεοψία Μέχρι τώρα μελετήσαμε συστήματα με μια κάμερα. Ωστόσο είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν δυο κάμερες στην προσπάθεια προσομοίωσης της ανθρώπινης όρασης. Η στερεοψία (stereo vision) μπορεί να παρέχει πληροφορίες για το βάθος και την προοπτική συνδυάζοντας τις εικόνες από τις δυο κάμερες. Χρησιμοποιείται στα ρομπότ για την τρισδιάστατη εσωτερική αναπαράσταση του κόσμου και τον υπολογισμό αποστάσεων από αντικείμενα. Για την μέτρηση αποστάσεων υπάρχουν δυο μέθοδοι: Μεταβολή των γωνιών των δυο καμερών έτσι ώστε και οι δυο να εστιάζουν στο αντικείμενο Σελίδα 28

29 Οι δυο κάμερες να είναι παράλληλες και να υπολογιστούν οι γωνίες απόκλισης του αντικειμένου σε κάθε κάμερα με τριγωνομετρία (Εικόνα 2-24). Εικόνα 2-24 Όραση στα ρομπότ Οι μέθοδοι που περιγράφηκαν παραπάνω χρειάζονται μεγάλη υπολογιστική ισχύ και χρόνο επεξεργασίας, δυο πράγματα πολύ κρίσιμα για ένα ρομπότ. Μπορεί όμως να απλοποιηθεί η επεξεργασία με κάποιες μεθόδους όπως: Αναγνώριση αντικειμένων με ένα συγκεκριμένο χρώμα. Συνδυασμός χρώματος και κίνησης (blob-tracking). Μείωση της περιοχής ενδιαφέροντος στην εικόνα ( π.χ. μια λωρίδα στο κέντρο της εικόνας αντί για ολόκληρη την εικόνα). Συνδυασμός απλούστερων αισθητήρων και της κάμερας. Αξιοποίηση πληροφοριών για το περιβάλλον (π.χ. αν πρέπει να κινηθεί σε έναν δρόμο με λευκές λωρίδες να εντοπίζει μόνο αυτές για την καθοδήγηση) ράση Τα όργανα δράσης (effectors) του ρομπότ δίνουν τη δυνατότητα σε αυτό να δρα στο περιβάλλον του. Χρησιμοποιούν εσωτερικούς μηχανισμούς κίνησης (actuators), όπως κινητήρες, που ουσιαστικά κάνουν την πραγματική δουλειά σε ένα ρομπότ. Μπορούμε να πούμε ότι τα όργανα δράσης είναι κάτι αντίστοιχο με τα πόδια ή τα χέρια ενός ανθρώπου ενώ οι εσωτερικοί μηχανισμοί είναι κάτι αντίστοιχο με τους μύες του σώματος. Τα όργανα δράσης χρησιμοποιούνται για δυο βασικές λειτουργίες: για την κίνηση (locomotion) και τον χειρισμό (manipulation). Η ρομποτική μπορεί να χωριστεί σε ρομποτική κίνησης, που ασχολείται με την μελέτη της κίνησης των ρομπότ, και σε ρομποτική χειρισμού, που ασχολείται κυρίως με τους βραχίονες. Σελίδα 29

30 Ανάλογα με την πηγή της ενέργειας που καταναλώνεται από τους μηχανισμούς, μπορούμε να τους διακρίνουμε σε παθητικούς και ενεργούς. Ενεργοί είναι όταν η ενέργεια προέρχεται από το ίδιο το ρομπότ ενώ παθητικοί όταν η ενέργεια προέρχεται από το περιβάλλον Τύποι ενεργών μηχανισμών κίνησης Ηλεκτρικοί κινητήρες είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος ενεργών μηχανισμών κίνησης, οι πιο φθηνοί και απλοί στην χρήση τους. Υδραυλικά συστήματα είναι μηχανισμοί που βασίζονται στην πίεση του λαδιού στο εσωτερικό τους. Όσο αυξομειώνεται η πίεση τόσο κινούνται. Έχουν αρκετή δύναμη αλλά είναι μεγάλοι, επικίνδυνοι και μπορεί να παρουσιάσουν προβλήματα διαρροής λαδιού. Πνευματικά συστήματα είναι αυτά που βασίζονται στην πίεση του αέρα στο εσωτερικό τους και μοιάζουν αρκετά με τα υδραυλικά συστήματα. Υλικά που αλλάζουν τις φυσικές ιδιότητές τους υπό ορισμένες συνθήκες, όπως είναι μερικά φωτοευαίσθητα υλικά, άλλα που αντιδρούν σε κάποιο χημικό, ορισμένα τα οποία αντιδρούν με την μεταβολή της θερμοκρασίας και κάποια πιεζοηλεκτρικά υλικά που όταν πιεστούν παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα Κινητήρες Οι κινητήρες είναι πολύ διαδεδομένοι μηχανισμοί κίνησης, όπως αναφέρθηκε και πριν, διότι η κίνηση που παράγουν είναι περιστροφική προσαρτώντας μια ρόδα μπορούμε πολύ γρήγορα και εύκολα να κινήσουμε ένα ρομπότ. Κινητήρες συνεχούς ρεύματος Είναι απλοί, φθηνοί, εύκολοι στη χρήση και υπάρχουν σε μεγάλη ποικιλία μεγεθών (Εικόνα 2-25). Η λειτουργία τους είναι απλή: διαθέτουν ένα σταθερό μαγνήτη τριγύρω και στο κέντρο ένα πηνίο πάνω στον άξονα. Μόλις διαπεράσει ηλεκτρικό ρεύμα το πηνίο δημιουργείται μαγνητικό πεδίο και ο άξονας περιστρέφεται. Εικόνα 2-25 Σελίδα 30

31 Για να λειτουργήσει ο κινητήρας αρκεί να του παρέχουμε το σωστό ηλεκτρικό ρεύμα αν είναι μικρότερο από όσο πρέπει ο κινητήρας θα περιστραφεί με μικρότερη ταχύτητα, αν όμως είναι περισσότερο τότε θα έχουμε μεγαλύτερη δύναμη, ωστόσο υπάρχει κίνδυνος να καεί το πηνίο. Ο τύπος που μας δίνει τη σχέση της ισχύος με την ροπή και τη γωνιακή ταχύτητα είναι p = t * w. Εάν ο κινητήρας στρέφεται χωρίς κάποια αντίσταση τότε θα έχουμε τις μέγιστες στροφές ανά λεπτό ( ) αλλά μικρή ροπή και άρα μικρή παραγόμενη ισχύ, αν όμως υπάρχει αντίσταση, π.χ. το ρομπότ ακουμπήσει σε κάποιον τοίχο, τότε η ροπή είναι μεγάλη και η γωνιακή ταχύτητα πολύ μικρή άρα θα έχουμε και πάλι μικρή παραγόμενη ισχύ. Η ιδιότητα αυτή των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, να έχουν δηλαδή μεγάλη γωνιακή ταχύτητα αλλά χαμηλή ροπή, τους κάνει σχεδόν ακατάλληλους για την κίνηση των ρομπότ μιας και δε χρειάζεται μεγάλη γραμμική ταχύτητα αλλά μεγάλη ακρίβεια στην κίνηση τους. Αυτό το πρόβλημα έρχονται να λύσουν τα γρανάζια. Γρανάζια Χρησιμοποιώντας γρανάζια με διαφορετική ακτίνα μπορούμε είτε να αυξήσουμε την ροπή και να μειώσουμε τη γωνιακή ταχύτητα είτε το αντίθετο. Η πιο απλή περίπτωση είναι να έχουμε δυο γρανάζια: ένα γρανάζι εισόδου και ένα εξόδου. Εάν το γρανάζι εξόδου είναι μεγαλύτερο από αυτό της εισόδου θα έχουμε αύξηση της ροπής, αν όμως το γρανάζι εξόδου είναι μικρότερο από το γρανάζι εισόδου θα έχουμε μείωση της ροπής. Έστω ότι έχουμε αναλογία δοντιών εισόδου/εξόδου = 5 τότε ροπή εισόδου = ροπή εξοδου*5 δηλαδή η ροπή εισόδου υπο-πενταπλασιάζεται στη έξοδο. Εικόνα 2-26 Σελίδα 31

32 Σε περίπτωση που θέλουμε αρκετά μεγάλες μειώσεις ή αυξήσεις της ροπής είναι σχεδόν απαγορευτικό να χρησιμοποιήσουμε δυο γρανάζια καθώς θα έχουμε πολύ μεγάλη διάμετρο στο ένα γρανάζι. Αυτό το πρόβλημα λύνεται με την χρήση περισσότερων των δυο γραναζιών και έτσι με σταδιακές μειώσεις ή αυξήσεις θα έχουμε το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα (Εικόνα 2-26). Σερβοκινητήρες Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος είναι κατάλληλοι για συνεχή κίνηση, αν όμως θέλουμε ακρίβεια και μεγαλύτερη ροπή τότε πλέον κατάλληλοι είναι οι σερβοκινητήρες. Ένας σερβοκινητήρας αποτελείται από έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, γρανάζια μείωσης της γωνιακής ταχύτητας, έναν κωδικοποιητή άξονα που δίνει πληροφορίες για την κατεύθυνση κίνησης και την γωνία περιστροφής και ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα για τον συντονισμό των προηγούμενων (Εικόνα 2-27). Οι περισσότεροι σερβοκινητήρες έχουν γωνία περιστροφής γύρω στις 180 ο. Ο έλεγχος ενός σερβοκινητήρα είναι δυσκολότερος από αυτόν στους κινητήρες συνεχούς ρεύματος μιας και οι σερβοκινητήρες οδηγούνται με ηλεκτρικό παλμό. Όσο μεγαλύτερη η διάρκεια του παλμού τόσο μεγαλύτερη και η γωνία. Ουσιαστικά έχουμε μια αντιστοιχία διάρκειας παλμού και γωνίας π.χ. εάν θέλουμε να πάμε στη γωνία 90 ο τότε πρέπει να δώσουμε παλμό διάρκειας 1.5 millisecond (Εικόνα 2-28). Εικόνα 2-27 Εικόνα 2-28 Βαθμοί ελευθερίας Βαθμοί ελευθερίας (degrees of freedom DOF) είναι ο ελάχιστος αριθμός συντεταγμένων που χρειάζονται για να περιγραφεί η κίνηση του μηχανισμού. Οι βαθμοί ελευθερίας για ένα αντικείμενο που μετακινείται απλώς σε μια ή περισσότερες από τις 3 διαστάσεις x,y,z ονομάζονται βαθμοί ελευθερίας μετατόπισης (translational DOF) ενώ αν περιστρέφεται Σελίδα 32

33 σε αυτές τις διαστάσεις ονομάζονται βαθμοί ελευθερίας περιστροφής (rotational DOF). Για παράδειγμα ένα ελικόπτερο έχει 6 βαθμούς ελευθερίας μιας και μπορεί να κινηθεί στον χώρο (3 DOF) και να περιστραφεί πλήρως και στους τρεις άξονες (3 DOF). Ο βραχίονας στην Εικόνα 2-29 έχει 7 βαθμούς ελευθερίας. Εικόνα 2-29 Εάν το ρομπότ έχει ένα μηχανισμό κίνησης για κάθε ένα βαθμό ελευθερίας τότε λέμε πως αυτός ο βαθμός ελευθερίας είναι ελεγχόμενος, σε αντίθετη περίπτωση είναι μηελεγχόμενος. Ένα αυτοκίνητο που κινείται πάνω στην επιφάνεια της γης έχει 3 βαθμούς ελευθερίας 2 μετατόπισης και 1 περιστροφής. Παρόλα αυτά όμως οι 2 είναι ελεγχόμενοι και ο ένας όχι, μιας και διαθέτει μηχανισμούς κίνησης για τους 2 μόνο βαθμούς ελευθερίας ( τιμόνι για την περιστροφή και κίνηση προς την μια διεύθυνση). Χρήσιμη είναι η παρατήρηση της σχέσης ανάμεσα στους ελεγχόμενους και τους συνολικούς βαθμούς ελευθερίας. Εάν οι ελεγχόμενοι βαθμοί ελευθερίας είναι ίσοι με τους συνολικούς βαθμούς ελευθερίας τότε λέμε ότι το ρομπότ είναι ολονομικό. Εάν οι ελεγχόμενοι βαθμοί ελευθερίας είναι λιγότεροι από τους συνολικούς βαθμούς ελευθερίας τότε λέμε ότι το ρομπότ είναι μη-ολονομικό. Τέλος, αν οι ελεγχόμενοι βαθμοί ελευθερίας είναι περισσότεροι από τους συνολικούς βαθμούς ελευθερίας τότε λέμε ότι το ρομπότ είναι πλεονάζον, αυτό σημαίνει ότι μπορεί να κάνει μια κίνηση με περισσότερους από έναν τρόπους. Σελίδα 33

34 Χειρισμός Τα χειριστήρια είναι όργανα δράσης και αυτά μπορεί να είναι, είτε κάποιος βραχίονας, είτε κάποιο χέρι, είτε κάποιο μέρος του κορμού που δρα στο περιβάλλον αλλάζοντάς το. Τα χειριστήρια συνήθως αποτελούνται από έναν ή περισσότερους συνδέσμους (links) ενωμένους με αρθρώσεις (joints) και το τελικό όργανο δράσης. Το τελικό όργανο δράσης (endeffector) είναι αυτό το τμήμα του χειριστηρίου που δρα στο περιβάλλον (Εικόνα 2-30). Εικόνα 2-30 Επειδή το τελικό όργανο δράσης είναι συνδεδεμένο στον βραχίονα και ο βραχίονας με την σειρά του στον κορμό του ρομπότ, για τον χειρισμό του, πρέπει να κινήσουμε όλα τα μέρη και όχι μόνο το τελικό όργανο δράσης, χωρίς ωστόσο να υπερβαίνουμε τα όρια των ορθώσεων. Κινηματική Η σχέση μεταξύ ενεργών μηχανισμών κίνησης και των αποτελεσμάτων τους στο περιβάλλον ονομάζετε κινηματική. Η κινηματική περιγράφει τη δομή των χειριστηρίων καθώς και τον τρόπο που είναι συναρμολογημένα. Οι πιο κοινοί τύποι αρθρώσεων είναι οι περιστροφικές αρθρώσεις που παρέχουν περιστροφική κίνηση γύρω από ένα σταθερό σημείο, πρισματικές αρθρώσεις που παρέχουν γραμμική κίνηση και σύνθετες αρθρώσεις. Οι αρθρώσεις των ρομπότ έχουν έναν ελεγχόμενο βαθμό ελευθερίας και έναν μηχανισμό κίνησης για κάθε έναν από αυτούς. Σελίδα 34

35 Για την κίνηση ενός τελικού οργάνου δράσης στο επιθυμητό σημείο του περιβάλλοντος πρέπει να υπολογίσουμε όλες τις γωνίες των αρθρώσεων στο χειριστήριο όσο περισσότερες αρθρώσεις τόσο πιο πολύπλοκος ο υπολογισμός των γωνιών. Η μετατροπή αυτή των καρτεσιανών συντεταγμένων του επιθυμητού σημείου στις γωνίες των αρθρώσεων του χειριστηρίου ονομάζεται αντίστροφη κινηματική. Η δυναμική αναφέρεται στις ιδιότητες της κίνησης και της ενέργειας των τμημάτων του ρομπότ που κινούνται. Μιας και τα ρομπότ κινούνται συνεχώς και σπαταλάμε ενέργεια, αυτό συνεπάγεται ότι έχουν δυναμική. Όσο πιο γρήγορα κινείται ένα ρομπότ τόσο πιο σημαντική είναι η δυναμική του Μετακίνηση Ανατρέχοντας στην έμβια ζωή, διαπιστώνουμε ότι για να πραγματοποιηθεί η κίνηση απαιτείται μεγάλη κατανάλωση ενέργειας προκειμένου να συντονιστούν όλα τα όργανα δράσης των έμβιων όντων κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και στα ρομπότ. Η μετακίνηση μπορεί να είναι από απλή έως αρκετά πολύπλοκη. Τα περισσότερα ρομπότ χρησιμοποιούν ρόδες για την κίνηση τους, είναι όμως και κάποια που χρησιμοποιούν : Πόδια για να περπατάνε, να σκαρφαλώνουν, να πηδάνε κ.α. Βραχίονες Φτερά για να πετάνε Πτερύγια για να κολυμπάνε Ευστάθεια Τα ρομπότ πρέπει να έχουν ευστάθεια για να μπορούν να επιτύχουν τους στόχους τους η ευστάθεια διακρίνεται σε στατική και δυναμική. Ένα στατικά ευσταθές ρομπότ μπορεί να μένει σταθερό χωρίς να πέφτει, για να είναι όμως αυτό εφικτό πρέπει να διαθέτει ικανοποιητικό αριθμό ποδιών ή ρόδες. Ένα ρομπότ με στατική ευστάθεια για να παραμένει σταθερό πρέπει το κέντρο βαρύτητάς του να είναι μέσα στο πολύγωνο που σχηματίζουν τα σημεία επαφής των ποδιών ή ροδών στο δάπεδο (Εικόνα 2-31). Είναι σαφές ότι πρέπει να διαθέτει πάνω από 2 πόδια ή ρόδες για να ισχύει αυτό. Όταν το ρομπότ με στατική ευστάθεια πρέπει να κινηθεί, προφανώς απαιτείται να σηκώνει τουλάχιστον ένα πόδι και επομένως το πολύγωνο στήριξης αλλάζει αν παρόλα αυτά το κέντρο βάρους παραμένει μέσα στο πολύγωνο τότε η κίνηση λέγεται στατικά σταθερή. Σελίδα 35

36 Εικόνα 2-31 Ένα δυναμικά ευσταθές ρομπότ, όμως, πρέπει συνεχώς να σπαταλά ενέργεια ρυθμίζοντας τα όργανα δράσης του προκειμένου να μένει σταθερό, όπως λ.χ. ο άνθρωπος. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα ρομπότ με δυναμική ευστάθεια είναι αυτό που χοροπηδώντας πάνω στο ένα και μοναδικό πόδι του, σε περίπτωση που σταματήσει θα πέσει. Σίγουρα το να έχει ένα ρομπότ δυο πόδια αντί για ένα κάνει την ευστάθειά του πιο εύκολη, όμως και πάλι είναι σαν να ισορροπεί πάνω στο ένα πόδι τη στιγμή που το άλλο είναι σηκωμένο για να κινηθεί. Βηματισμός Βηματισμός είναι ο ιδιαίτερος τρόπος που κινείται ένα ρομπότ και σε αυτόν περιλαμβάνεται και η σειρά που το κάθε πόδι κινείται καθώς και η θέση του στο έδαφος. Ιδιότητες που θέλουμε να έχει ο βηματισμός είναι ευστάθεια, ταχύτητα, χαμηλή κατανάλωση σε ενέργεια, σταθερότητα σε σχέση με ενδεχόμενα λάθη και απλότητα. Μια μίμηση από τον πραγματικό κόσμο είναι τα εξάποδα ρομπότ που βασίζονται κυρίως στο τριποδικό βάδισμα κατά το οποίο κάθε φορά τρία πόδια είναι στον αέρα και τα άλλα τρία στο έδαφος (Εικόνα 2-32). Ένα άλλο είδος βαδίσματος είναι το κυματιστό στο οποίο τέσσερα πόδια είναι στο έδαφος και δυο σηκωμένα. Σελίδα 36

37 Εικόνα 2-32 Τροχοί και διεύθυνση Στη φύση δεν συναντάμε τροχούς στα όντα, στα ρομπότ όμως είναι μια συνηθισμένη και εύκολη λύση για την κίνηση τους. Τα ρομπότ που χρησιμοποιούν τροχούς είναι σταθερά στατικά, αυτό όμως δεν σημαίνει ότι είναι και απαραίτητα ολονομικά, που σημαίνει ότι δεν μπορούν να χειριστούν όλους τους βαθμούς ελευθερίας τους. Εικόνα 2-33 Υπάρχουν δυο τρόποι κίνησης των τροχών: ο ένας είναι να κινούνται μαζί και ο άλλος είναι να κινούνται διαφορικά. Στην πρώτη περίπτωση θα πρέπει να έχουμε ένα σύστημα κίνησης για τις ρόδες και ένα για την διεύθυνση, ενώ στην άλλη αρκεί να έχουμε ένα μηχανισμό κίνησης για τον δεξιό τροχό και ένα για τον αριστερό (Εικόνα 2-33). Στη διαφορική κίνηση αν οι δυο ταχύτητες των τροχών είναι ίσες τότε το ρομπότ Σελίδα 37

38 κινείται ευθεία, στις άλλες περιπτώσεις κινείται αντίθετα από τον τροχό με την μεγαλύτερη ταχύτητα. Ένα γενικό ζήτημα στην μετακίνηση είναι η διαδρομή που θα ακολουθήσει το ρομπότ για να φτάσει στο στόχο. Ο σχεδιασμός κίνησης (trajectory and motion planning) αναλαμβάνει να βρει όλα τα πιθανά μονοπάτια προς το στόχο, να τα αξιολογήσει ως προς τους περιορισμούς που έχουν τεθεί και να βρει το συντομότερο μονοπάτι (optimal trajectory) εφόσον χρειάζεται Η δύναμη του ελεγκτή Σε αντίθεση με τα έμβια όντα ο ελεγκτής των ρομπότ καταναλώνει ελάχιστη ενέργεια σε σχέση με τα υπόλοιπα μέρη του. Μερικά θέματα σχετικά με την διαχείριση της ενέργειας είναι : Σωστή αναλογία επαρκούς ενέργειας και μειωμένου βάρους μπαταριών. Αποτελεσματική απομόνωση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων των αισθητήρων και των οργάνων δράσης. Αποτροπή απωλειών ενέργειας είτε επειδή οι μπαταρίες εξαντλήθηκαν είτε λόγω στιγμιαίας υψηλής κατανάλωσης κάποιου αισθητήρα. Φόρτιση των μπαταριών του ρομπότ με αυτόνομο τρόπο π.χ. όταν αντιληφθεί χαμηλή τάση να αναζητήσει βάση στην οποία θα φορτίζονται οι μπαταρίες Αυτονομία Οι ελεγκτές παρέχουν υλικό (hardware) ή λογισμικό (software) ή και τα δυο, που κάνουν τα ρομπότ να είναι αυτόνομα, και χρησιμοποιώντας δεδομένα από τους αισθητήρες να παίρνουν αποφάσεις και να ελέγχουν τα όργανα δράσης προς επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί. Αυτονομία είναι λοιπόν η ικανότητα των ρομπότ να παίρνουν αποφάσεις και να δρουν πάνω σε αυτές χωρίς την παρέμβαση κάποιου ανθρώπου. Σελίδα 38