Honda je ASIMO, příklad humanoidního robota
Humanoidní robot je robot, jehož celkový vzhled je založen na vzhledu lidského těla, což umožňuje interakci s nástroji nebo prostředím vyrobenými pro člověka. Obecně mají humanoidní roboti trup s hlavou, dvěma rukama a dvěma nohama, i když některé formy humanoidních robotů mohou modelovat pouze část těla, například od pasu nahoru. Někteří humanoidní roboti mohou mít také „obličej“, s „očima“ a „ústy“. Androidi jsou humanoidní roboti, kteří jsou stavěni tak, aby esteticky připomínali člověka.
TOSY’s TOPIO, humanoidní robot, umí hrát ping pong.
Humanoidní robot je autonomní robot, protože se dokáže přizpůsobit změnám ve svém prostředí nebo sám sobě a pokračovat v dosahování svého cíle. To je hlavní rozdíl mezi humanoidními a jinými druhy robotů. V této souvislosti mohou některé schopnosti humanoidního robota zahrnovat mimo jiné:
Stejně jako ostatní mechanické roboty, i humanoidi se odkazují na následující základní komponenty: Sensing, Actuating a Planning and Control. Vzhledem k tomu, že se snaží simulovat lidskou strukturu a chování a jsou to autonomní systémy, jsou humanoidní roboti většinou složitější než ostatní druhy robotů.
Tato složitost ovlivňuje všechny robotické váhy (mechanická, prostorová, časová, hustota výkonu, systémová a výpočetní složitost), ale je více patrná na hustotě výkonu a stupnici složitosti systému. Za prvé, většina současných humanoidů není dost silná ani na skok a to se stává, protože poměr výkonu a hmotnosti není tak dobrý jako v lidském těle. Dynamicky vyvažující Anybots Dexter může skočit, ale zatím špatně. Na druhou stranu, existují velmi dobré algoritmy pro několik oblastí humanoidní konstrukce, ale je velmi obtížné sloučit všechny do jednoho efektivního systému (složitost systému je velmi vysoká). V dnešní době jsou to hlavní obtíže, se kterými se musí vypořádat vývoj humanoidních robotů.
Humanoidní roboti jsou vytvořeni, aby napodobili některé ze stejných fyzických a duševních úkolů, které lidé denně podstupují. Vědci a specialisté z mnoha různých oborů včetně strojírenství, kognitivních věd a lingvistiky spojují své úsilí, aby vytvořili robota co nejvíce podobného člověku. Cílem jejich tvůrců pro robota je, aby jednoho dne byl schopen porozumět lidské inteligenci, uvažovat a chovat se jako lidé. Pokud toho budou humanoidé schopni, mohli by nakonec v souladu s lidmi pracovat na vytvoření produktivnější a kvalitnější budoucnosti. Dalším důležitým přínosem vývoje androidů je pochopení biologických a duševních procesů lidského těla, od zdánlivě jednoduchého aktu chůze až po pojmy vědomí a duchovno. Právě teď se používají ke svařování. V budoucnu mohou lidem výrazně pomoci svařováním a těžbou uhlí.
V současné době existují dva způsoby, jak modelovat humanoidního robota. První z nich modeluje robota jako sadu pevných článků, které jsou spojeny klouby. Tento druh struktury je podobný tomu, který lze nalézt u průmyslových robotů. Ačkoli se tento přístup používá u většiny humanoidních robotů, nový se objevuje v některých výzkumných pracích, které využívají poznatky získané v biomechanice. V tomto je základem humanoidního robota podoba lidské kostry.
Nao (robot) je robot vytvořený pro společnost. Soutěží také ve fotbalovém šampionátu RoboCup
Enon byl vytvořen jako osobní asistent. Je samonaváděcí a má omezené rozpoznávání a syntézu řeči. Může také nést věci.
Humanoidní roboti jsou využíváni jako výzkumný nástroj v několika vědeckých oblastech.
Výzkumníci potřebují porozumět struktuře a chování lidského těla (biomechanice), aby mohli stavět a studovat humanoidní roboty. Na druhé straně, pokus o simulaci lidského těla vede k jeho lepšímu pochopení.
Lidské poznávání je studijní obor, který je zaměřen na to, jak se lidé učí ze smyslových informací, aby získali percepční a motorické dovednosti. Tyto znalosti se využívají k vývoji výpočetních modelů lidského chování a v průběhu času se zlepšují.
Bylo naznačeno, že velmi pokročilá robotika usnadní vylepšení obyčejných lidí. Viz transhumanismus.
Ačkoli prvotním cílem výzkumu humanoidů bylo vybudovat lepší ortézu a protézu pro lidské bytosti, znalosti byly přeneseny mezi oběma obory. Několik příkladů je: napájená protéza nohou pro neuromuskulárně postižené, ortéza kotníků a nohou, biologická realistická protéza nohou a protéza předloktí.
Kromě výzkumu jsou humanoidní roboti vyvíjeni tak, aby plnili lidské úkoly, jako je osobní asistence, kdy by měli být schopni pomáhat nemocným a starším lidem, a špinavé nebo nebezpečné práce. Pro humanoidy jsou vhodná i běžná zaměstnání, jako je práce recepční nebo pracovník automobilové výrobní linky. Vzhledem k tomu, že mohou používat nástroje a obsluhovat zařízení a vozidla určená pro lidskou podobu, mohli by humanoidi teoreticky plnit jakýkoli úkol, který lidská bytost může, pokud mají správný software. Avšak složitost takového postupu je klamně velká.
Jsou stále populárnější i pro poskytování zábavy. Například Ursula, robotka ženského pohlaví, zpívá, tančí a promlouvá ke svým posluchačům v Universal Studios. Několik Disneyho atrakcí využívá v některých svých zábavních show animační roboty, kteří vypadají, pohybují se a mluví podobně jako lidské bytosti. Tito animační roboti vypadají tak realisticky, že může být těžké na dálku rozluštit, zda jsou nebo nejsou skutečně lidmi. Přestože mají realistický vzhled, nemají žádné rozpoznávání ani fyzickou autonomii.
Humanoidní roboti, zejména s algoritmy umělé inteligence, by mohli být užiteční pro budoucí nebezpečné a/nebo vzdálené vesmírné průzkumné mise, aniž by bylo nutné se znovu otočit a vrátit se na Zemi po dokončení mise. =)
Senzor je zařízení, které měří nějaký atribut světa. Protože je jedním ze tří primitivů robotiky (kromě plánování a řízení), hraje snímání důležitou roli v robotických paradigmatech.
Senzory lze klasifikovat podle fyzikálního procesu, s nímž pracují, nebo podle typu informace o měření, kterou poskytují jako výstup. V tomto případě byl použit druhý přístup.
Proprioceptivní senzory snímají polohu, orientaci a rychlost těla a kloubů humanoida.
U lidí se vnitřní uši používají k udržení rovnováhy a orientace. Humanoidní roboti používají akcelerometry k měření zrychlení, ze kterých lze vypočítat rychlost integrací; senzory náklonu k měření náklonu; senzory síly umístěné v rukou a nohou robota k měření kontaktní síly s okolím; senzory polohy, které indikují skutečnou polohu robota (ze které lze vypočítat rychlost odvozením) nebo dokonce senzory rychlosti.
Exteroceptivní senzory poskytují robotovi informace o okolním prostředí, což robotovi umožňuje interakci se světem. Exteroceptivní senzory jsou klasifikovány podle jejich funkčnosti.
Senzory blízkosti se používají k měření relativní vzdálenosti (dosahu) mezi senzorem a objekty v okolí. Vykonávají stejný úkol jako zrakové a hmatové smysly u lidských bytostí. Existují i jiné druhy měření blízkosti, jako laserový dosah, použití stereokamer nebo projekce barevné čáry, mřížky nebo vzoru teček, které sledují, jak je obrazec deformován prostředím. K rozpoznání blízkosti mohou humanoidní roboti použít sonary a infračervené senzory nebo hmatové senzory jako nárazové senzory, vousky (nebo tykadla), kapacitní a piezorezivní senzory.
Umělá ruka držící žárovku
K získání dat o tom, čeho se dotkli, lze použít pole taktelů. Stínová ruka používá pole 34 taktelů uspořádaných pod polyuretanovou kůží na špičce každého prstu. Taktové senzory také poskytují informace o silách a točivých momentech přenášených mezi robotem a dalšími objekty.
Zrak se vztahuje na zpracování dat z jakékoliv modality, která využívá elektromagnetické spektrum k vytvoření obrazu. U humanoidních robotů se používá k rozpoznání objektů a určení jejich vlastností. Vizuální senzory pracují podobně jako oči lidských bytostí. Většina humanoidních robotů používá CCD kamery jako vizuální senzory.
Zvukové senzory umožňují humanoidním robotům slyšet řeč a zvuky prostředí a vystupovat jako uši lidské bytosti. K tomuto úkolu se obvykle používají mikrofony.
Poháněči jsou motory zodpovědné za pohyb v robotu.
Humanoidní roboti jsou konstruováni tak, že napodobují lidské tělo, takže používají pohony, které fungují jako svaly a klouby, i když s jinou strukturou. Aby dosáhli stejného účinku jako lidský pohyb, používají humanoidní roboti hlavně rotační pohony. Mohou být elektrické, pneumatické, hydraulické, piezoelektrické nebo ultrazvukové.
Hydraulické a elektrické pohony mají velmi tuhé chování a lze je přimět k tomu, aby jednaly vyhovujícím způsobem, pouze pomocí relativně složitých strategií zpětnovazebního řízení . Zatímco elektrické pohony bez jádra jsou vhodnější pro aplikace s vysokou rychlostí a nízkou zátěží, hydraulické pracují dobře při nízkých rychlostech a vysoké zátěži.
Piezoelektrické pohony generují při použití napětí malý pohyb s vysokou schopností síly. Mohou být použity pro ultra přesné polohování a pro generování a manipulaci s vysokými silami nebo tlaky ve statických nebo dynamických situacích.
Ultrazvukové pohony jsou navrženy tak, aby vytvářely pohyby v řádu mikrometrů při ultrazvukových frekvencích (nad 20 kHz). Jsou užitečné pro řízení vibrací, polohovacích aplikací a rychlé spínání.
Pneumatické pohony pracují na bázi stlačitelnosti plynu. Při nahuštění se roztahují podél osy a při splasknutí se smršťují. Pokud je jeden konec pevný, druhý se pohybuje po lineární dráze. Tyto pohony jsou určeny pro aplikace s nízkou rychlostí a nízkým/středním zatížením. Mezi pneumatickými pohony jsou: válce, měchy, pneumatické motory, pneumatické krokové motory a pneumatické umělé svaly.
Při plánování a ovládání je podstatný rozdíl mezi humanoidy a jinými druhy robotů (jako jsou ti průmysloví) v tom, že pohyb robota musí být lidský, s využitím pohybové nohy, zejména dvounohé chůze. Ideální plánování pro humanoidní pohyby při běžné chůzi by mělo mít za následek minimální spotřebu energie, jako se to děje v lidském těle. Z tohoto důvodu jsou studie o dynamice a ovládání těchto druhů struktur stále důležitější.
Pro udržení dynamické rovnováhy během chůze potřebuje robot informace o přítlačné síle a jejím aktuálním a požadovaném pohybu. Řešení tohoto problému se opírá o hlavní koncept, Zero Moment Point (ZMP).
Další charakteristikou humanoidních robotů je, že se pohybují, shromažďují informace (pomocí senzorů) o „reálném světě“ a interagují s ním, nezůstávají v klidu jako tovární manipulátory a další roboti, kteří pracují ve vysoce strukturovaném prostředí. Plánování a řízení se musí zaměřit na detekci samokolizí, plánování cest a vyhýbání se překážkám, aby se humanoidi mohli pohybovat ve složitých prostředích.
V lidském těle existují rysy, které se u humanoidů zatím nevyskytují. Patří mezi ně struktury s proměnlivou flexibilitou, které zajišťují bezpečnost (robotovi samotnému i lidem) a nadbytečnost pohybů, tj. více stupňů volnosti, a tedy široké dostupnosti úkolů. Ačkoli jsou tyto vlastnosti pro humanoidní roboty žádoucí, přinesou větší složitost a nové problémy při plánování a řízení.