Selles blogipostituses vaatleme, miks elektrotehnikast on saanud robootikas põhioskus ning kuidas elektroonika, juhtimis- ja arvutivaldkonnad aitavad kaasa robotite arengule.
Mis on elektrotehnika ja miks ma seda robootika õppimiseks vajan? Nagu varem mainitud, pärineb robootika põhitehnoloogia elektrotehnikast. On raske mõelda ilmsemale, kuid samas ebamäärasemale terminile kui elekter. Selle mõistmiseks peame vaatama elektrotehnika põhimõisteid ja selle rolli.
Elektrotehnika on valdkond, mis tegeleb elektrit kasutavate erinevate tehnoloogiate kavandamise, arendamise ja rakendamisega. Neil tehnoloogiatel on lai valik rakendusi igapäevaelust tööstuseni. Elekter ei ole mõeldud ainult valgustuse ja seadmete toiteks; elektrotehnika hõlmab kõike alates elektrienergia tootmisest, muundamisest, edastamisest ja jaotamisest. Näiteks projekteerivad elektriinsenerid elektrivõrke, et tarnida elektrit usaldusväärselt elektrijaamadest kodudesse ja tööstusrajatistesse, ning arendavad energiahaldussüsteeme, et tagada tõhus energiakasutus. Samuti mängivad nad olulist rolli selliste kaasaegsete tehnoloogiate arendamisel nagu elektriautod, taastuvenergia süsteemid ja nutivõrgud.
Elektrotehnika osakonna juured ulatuvad eriala eelduskursuse, neljanda seminari nimeni, mis on kohustuslik kõigile praegustele elektrotehnika tudengitele. See pole küll elektriseminar, aga mida see tähendab? Need neli õppeainet on elekter, elektroonika, juhtimine ja arvutid. Need neli osakonda eksisteerisid enne Souli Riikliku Ülikooli praeguse elektrotehnika ja arvutiteaduse osakonna loomist ning need liideti praeguseks osakonnaks.
Lühidalt öeldes on elekter valdkond, mis projekteerib ja ümber ehitab elektrisüsteeme elektrijaamades, nagu me neid tavaliselt ette kujutame, või muundab elektrienergiat seadmete abil tõhusalt kineetiliseks energiaks, st projekteerib mootoreid ja optimeerib seotud seadmeid. Näiteks elektriauto mootori projekteerimisel on oluline muundada elektrienergia kineetiliseks energiaks võimalikult tõhusalt, arvestades samal ajal energiatõhusust ja vastupidavust. Detailid on veidi erinevad, aga seda on lihtne nii mõelda.
Elektroonika puhul mõelge pooljuhtidele, välkmälule, ekraanidele ja nutitelefonidele, mis on tuttavad Korea peamiste ekspordiartiklitena. Kui mõelda Samsung Electronicsist kui esinduslikust ettevõttest, on lihtne aru saada, mida see müüb ja millega tegeleb. See valdkond hägustab piire elektrotehnika ja elektroonika vahel ning elektroonika mängib robootikas suurt rolli. Elektroonika, näiteks roboti andurid, on roboti jaoks hädavajalik, et ta saaks oma väliskeskkonda ära tunda ja sellega suhelda.
Mõtle arvutitest kui kõigest, mida sa tead arvuti kohta, mida sa praegu kasutad. See jaguneb kaheks osaks: riist- ja tarkvaraks. Robootikas on arvuti riist- ja tarkvara eriti olulised, kuna need on olulised roboti käitumise juhtimiseks ja õppimiseks keskseadme (CPU) kaudu, mis toimib roboti ajus, ja tehisintellekti algoritmide abil.
Lõpuks on veel juhtimise valdkond, mis on võtmeks robotitele, mida me kõik lapsena imetlesime. Selle valdkonna eesmärk on panna masinad inimese taju ja käitumist täpselt jäljendama ja mõistma, et nad saaksid inimese tegevustele asjakohaselt reageerida. Robot on juhtimissüsteem, mitte midagi muud. Lihtne näide juhtimissüsteemist on puuteekraan, mis on juba kaubanduslikult saadaval ja mida kõik kasutavad. Kui inimene vajutab käega monitori teatud osale, kuvatakse vastus.
Veelgi lihtsamas näites võib andur, mis lülitab vannitoas tule sisse, või isegi lihtsalt lüliti, mis lülitab toas tuled sisse, tegelikult olla robot. See muutub keerukamaks, kui see mõistab paremini inimese käitumist ja reageerib vastavalt, aga seni, kuni see reageerib inimestele lihtsa lülitiga, on see robot või juhtimissüsteem.
Automaatikatehnikat saab jagada kahte põhivaldkonda. Üks on automaatikatehnika ja süsteemiteooria. Näiteks kui ma loon robotkalade rühma ja tahan teoretiseerida, kuidas nad jões hakkama saavad, saan seda teha reaalse jõe ruumi matemaatilise modelleerimise ja nende käitumise ennustamise teel, olenevalt muutujatest, nagu jõe voolukiirus ja -suund või teiste kalade liikumine. See on valdkond, mis uurib erinevaid juhtumeid sel viisil. See uurib peamiselt sidevõrgu juhtimist, robotjuhtimist, bioloogiliste süsteemide modelleerimist ja juhtimist, juhtimis-, juhtimis- ja navigatsioonisüsteeme jne.
Teine on intelligentsuse ja robootika valdkond. See on valdkond, mille eesmärk on arendada robotite võimet objekte ära tunda inimese viie meele abil. See on robotite jaoks kõige vajalikum võime inimestega suhtlemiseks. Näiteks jalgpalli mängides näeme ruumi palli ja väravaga ning kuigi see tundub kahemõõtmeline, suudame oma peas ette kujutada kolmemõõtmelist ruumi. Nad suudavad tajuda värvierinevusi, kontrastierinevusi ja paljusid muid erinevusi palli ja staadionipõranda vahel, et hinnata palli suurust või kaugust ning harjutamiseks kuluva aja jooksul võivad nad saada paremateks viskajateks.
Robotid näevad maailma isegi läbi kaamera, täpselt nagu meie. Aga kui neilt küsida, kuidas nad teavad, et pall ja värav on seal, või kuidas nad hetkega oma jalgu sellise nurga all liigutavad, et palli nii suure jõuga lüüa, või kuidas nad õppisid palli lööma, jäävad nad sõnatuks. See on liiga hetkeline. Intelligentse robootika uurimise eesmärk on analüüsida inimese kognitiivseid protsesse, et neid arvutialgoritmide kujul esitada, et neid saaks robotitele rakendada.
Tegelikult on lisaks sellele juhtimistehnikale robotite täiustamiseks hädavajalikud ka keerukad akustikad, pilditöötlus ja mehaanilised juhtimissüsteemid, mida on uuritud sajandeid, näiteks hävituslennukites kasutatavad lihtsad, kuid hädavajalikud güroskoobid. Täiustatud tehnoloogiad, näiteks autonoomsete sõidukite keskmes olevad LiDAR-andurid, toimivad roboti silmade ja kõrvadena ning aitavad kaasa roboti autonoomia suurendamisele keerukamates ja mitmekesisemates keskkondades.
Lisaks on mitmeid teisi rakendusvaldkondi, näiteks pooljuhtide ja seadmete efektiivsuse parandamine roboti otseses vooluringis või nende töötavates akutes ning keraamiliste materjalide väljatöötamine roboti karkassi või nende pakutavate puutetundlikkuse jaoks. Näiteks isetervendavaid materjale, mida praegu uuritakse, saaks kasutada roboti väliskestas, et suurendada selle vastupidavust, parandades end kahjustuste korral. Need tehnoloogiad on kriitilise tähtsusega, et tagada robotite usaldusväärne töö inimkeskkonnas pikka aega.
Robootika on valdkond, mis nõuab praktiliselt kõigi inseneriharude kombineeritud uurimistööd, et luua roboteid, mis saaksid inimeste kõrval elada. Kuigi robootika arendamine võib inimkujuliste robotite kontekstis tunduda ebamäärane, on oluline märkida, et nutitelefonide hääletuvastus, maanteede liikluse mõõtmine ja ennustamine CCTV abil ning inimeste liikumise ennustamine giidide õigeks paigutamiseks lennujaamades ja muudes rahvarohketes kohtades on kõik robootikatehnoloogia laiendused. Robotikat defineeritakse laias laastus kui masinate väljatöötamist inimestega suhtlemiseks.
Tulevikus nõuab robootika uurimistööd mitte ainult elektrotehnika ja masinaehituse valdkonnas, vaid ka teistes inseneridistsipliinides ning vajadusel neuroteaduses ja psühholoogias. See interdistsiplinaarne uurimistöö sillutab teed robotitele, et nad paremini mõistaksid inimeste emotsioone ja kavatsusi ning suhtleksid inimestega loomulikul viisil. See interdistsiplinaarne uurimistöö on hädavajalik, et robotid muutuksid meie igapäevaelus inimlikumaks.
