Spis treści:
Nie każdy robotyk to dydaktyk, nie każdy pedagog to dobry opowiadacz historii. Robotyka może nie jest dla wszystkich w ujęciu praktycznym, ale nie musi kojarzyć się z siódmymi arkanami czarnej magii. Pogadajmy o niej.
Człowiek wśród narzędzi, człowiek wśród maszyn
Człowiek od zarania dziejów i początku swojego świadomego istnienia oddziałuje na środowisko, aby ułatwić sobie i potomstwu przeżycie. Z czasem zaczął tworzyć rozmaite urządzenia techniczne zwiększające skuteczność wywierania tego wpływu. Kiedy wzięliśmy w dłoń kij lub kość – choć najpewniej najpierw przyrżnęliśmy nią w głowę sąsiada, a nie pomyśleliśmy o stworzeniu motyki albo instrumentu muzycznego – i wykorzystaliśmy je do celu technicznego tak, jak dziś używamy młotka jako narzędzia, to wtedy właśnie rozpoczęła się działalność inżynieryjna człowieka.
Według słownika języka polskiego PWN inżynieria to projektowanie i konstruowanie obiektów oraz urządzeń technicznych. Projektowanie brzmi mądrze, ale czyż nie jest to po prostu przemyślenie sprawy, aby finalnie nadać projektowi określony kształt? Pierwsze narzędzia australopiteka sprzed 3,3 milionów lat to pierwszy krok na drodze do robotyki!
Co to jest robotyka?
Robotyka (technika robotyczna) zajmuje się generowaniem sterowanych komputerowo ruchów obiektów fizycznych w wielu różnych sytuacjach. Ponieważ obiekty fizyczne definiują rozkłady przestrzenne w przestrzeni trójwymiarowej, ważną rolę w robotyce odgrywają reprezentacje geometryczne i obliczenia. W rezultacie dziedzina jest znaczącym źródłem praktycznych problemów z zakresu dla geometrii obliczeniowej. Ale chwila! Czy to dobrze, że coś jest źródłem problemów? Tak, dla nauki jak najbardziej. Bo czym innym jest nauka, jak nie próbą odpowiadania na wszystkie możliwe pytania i zbliżenia nas swoimi konstrukcjami hipotetycznymi do istoty rzeczy? Problemy naukowców i konstruktorów radują, bo bez nich nie ma rozwiązań.
Spróbujmy ująć to jeszcze prościej: robotyka to nauka i technologia projektowania, budowy i zastosowania sterowanych komputerowo urządzeń mechanicznych zwanych robotami. Przyda się wszędzie tam, gdzie potrzeba niezawodności, szybkości, dokładności i wytrzymałości. Jeżeli nie prowadzimy notatek z metodologii i taksonomii, to właściwie powinno nam to wystarczyć.
Trendy. Przyszłość robotyki
To właściwie temat do osobnych rozważań. Sprawy nie ułatwia gwałtowny rozwój zastosowań rodem z robotyki w coraz większej liczbie sfer ludzkiego życia. Liczne czynniki techniczne i społeczne nadal mają znaczący wpływ na informatykę, a co za tym idzie – robotykę. Na przykład rośnie moc obliczeniowa na wat energii elektrycznej. W codziennym życiu oznacza to, że smartfon może zrobić więcej przy takim samym czasie pracy na baterii – owszem, cykl pracy naładowanej baterii telefonu wiekowego telefonu Nokia 3510 wynosił ponad 300 godzin, ale możliwości telefonów w ciągu niespełna 20 lat wzrosły niewyobrażalnie.
Oznacza to również szybszy postęp w dziedzinie sztucznej inteligencji – korzystamy z osiągnięć dziedzin takich jak widzenie komputerowe i przetwarzanie języka naturalnego, które pomagają robotom “widzieć” i “uczyć się”. Właściwie z określenia uczyć się możemy usunąć cudzysłów – machine learning i deep learning to naprawdę uczenie, choć pozbawione naszej empiryki. Cóż, nie lada problem dla współczesnych dydaktyków! Pisanie bardziej wydajnego kodu oprogramowania to kolejny sposób na zwiększenie wydajności robotów. Być może za kilkadziesiąt lat roboty będą mogły wykonywać większość naszego kodowania. Spójrzmy na to w ten sposób: kiedy współpracujemy ramię w ramię, a każdy spośród nas to specjalista w swojej dziedzinie, a nie generalista znający się na wszystkim, to osiągamy niesamowite wyniki w coraz to krótszym czasie. To trend, który robotyka nie wyznaje, a którego potrzebuje, aby się rozwijać.
Roboty wymyślone ≠ roboty stworzone i zastosowane
Historia robotyki jest naznaczona światem fantazji, który dostarczył inspiracji do przekształcenia czasem szalonych wizji w rzeczywistość. Jest to krajobraz bogaty nie tylko w konstruktorskie górki i dolinki (spektakularne sukcesy oraz wrzaski na niedziałający sprzęt), ale także w kreatywność w sztuce literackiej, malarskiej, muzycznej i filmowej, a także wizję nowej, ulepszonej przedsiębiorczości.
Definicja robota – a to przecież produkt robotyki – jest kontrowersyjna nawet wśród robotyków. Na jednym krańcu spektrum znajduje się coś jak wersja science fiction, typowo ludzka, a mianowicie android lub humanoid o ludzkiej postaci, czyli z cechami antropomorficznymi. Często to wizja bardziej sci-fi fantasy niż science fiction, a mamy tendencję do mylenia tych dwóch gatunków.
Na drugim końcu spektrum znajduje się… no, jakiś wydajny robot powtarzalny. Taki bardziej logistyczny lub przemysłowy, w gruncie rzeczy w czymś pomocny. W normie ISO/TR 8373:1988 – uwaga, w obiegu funkcjonuje, to znaczy nie funkcjonuje, bo jej nie ma, mylna norma “ITR 8373” – robota przemysłowego definiuje się tak:
Manipulacyjny robot przemysłowy jest automatycznie sterowaną, programowaną, wielozadaniową maszyną manipulacyjną o wielu stopniach swobody, posiadającą własności manipulacyjne lub lokomocyjne, stacjonarną lub mobilną, dla ważnych zastosowań przemysłowych.
Tak powinien powiedzieć przynajmniej pilny student. Robot Institute of America definiuje zaś robota jako:
Reprogramowalny, wielofunkcyjny manipulator przeznaczony do przemieszczania materiałów, części, narzędzi lub specjalistycznych urządzeń za pomocą różnych zaprogramowanych ruchów w celu wykonania różnorodnych zadań.
A to nie to samo? I tak samo niepełne? Bardziej inspirującą definicję proponuje znana z tworzenia słowników Merriam-Webster, stwierdzając, że robot to “maszyna, która wygląda jak człowiek i wykonuje różne złożone czynności (jak chodzenie lub mówienie)”. Na koniec Joseph Engleberg, współzałożyciel Unimate i protoplasta światowej robotyki, mówi tak: nie umiem zdefiniować robota, ale jak zobaczę, to rozpoznam”. Tak tak, jasne.
Na szczęście osiągnięcia robotyki możemy dość jasno podzielić ze względu na funkcjonalność:
- Roboty eksperymentalne i badawczo-rozwojowe,
- roboty przemysłowe,
- roboty wojskowe i policyjne,
- roboty do użytku domowego,
- roboty użytku publicznego,
- roboty eksploracyjne i poszukiwawcze,
- roboty medyczne i okołomedyczne,
- roboty do rozrywki, w tym roboty edukacyjne i roboty-zabawki,
- roboty użytkowe osobiste, interaktywne, terapeutyczne, obsługowe,
- zrobotyzowane środki transportu: zautomatyzowane pojazdy, zrobotyzowane wózki inwalidzkie.
Dziećmi nauki znanej jako robotyka zajmiemy się bardziej szczegółowo w drugiej części artykułu – bo zdecydowanie na to zasługują.
Robotyka jako zbiór nauk
Wróćmy do mamy robotyki. Na robotykę składają się liczne nauki przyrodnicze. Właściwie każda gałąź nowoczesnych technologii łączy różne dziedziny nauk technicznych. Robotyka stawia na interdyscyplinarność, czyli na taki rodzaj współpracy naukowej, w której naukowcy, stosując typowe dla swoich dyscyplin metody, współpracują nad zadanym problemem. Robotyka czerpie zatem wiedzę z wielu dziedzin akademickich. Duży zespół inżynierski musi znać się na różnych dyscyplinach. W wyniku takich interdyscyplinarnych działań może powstać nowa wiedza, która całościowo przedstawia już inne podejście i wyniki od tego, co poszczególne dziedziny z osobna.
W tym przypadku są to:
- automatyka i mechanika,
- elektronika i elektrotechnika,
- inżynieria, inżynieria przemysłowa,
- informatyka,
- matematyka.
Ciocia automatyka
Kumulowanie się doświadczeń różnych ludzi związanych z konstruowaniem urządzeń sterujących doprowadziło do powstania automatyki. Występuje ona obok robotyki bardzo często. Przez długi okres funkcje sterujące spełniał człowiek, utrzymywał stały poziom wody w fosie albo bił w dzwon katedry o określonej godzinie. Okazało się, że czynności związane ze sterowaniem można również zastąpić pewnymi urządzeniami wytworzonymi sztucznie, które mogą działać samoczynnie.
Automatyka jest więc jest dyscypliną nauk technicznych zajmującą się analizą
i modelowaniem obiektów i układów różnej natury. Niektóre spośród nich to:
- układy cieplne w elektrowniach i elektrociepłowniach,
- chemiczne układy termodynamiczne, np. czajnik z wrzącą wodą,
- elektryczne, np. sterowanie oświetleniem,
- mechaniczne, np. układ hamulcowy,
- hydrauliczne, np. pompy górnicze do wydobycia,
- pneumatyczne, np. kompresor u dentysty.
Opracowany właściwie model pozwala na zastosowanie teorii sterowania do stworzenia jakiegoś układu zwanego regulatorem, sterownikiem albo kontrolerem, który będzie dla nas sterował danym obiektem, procesem lub układem tak,
by ten zachowywał się w pożądany sposób. Układy sterowania składają się z obiektu sterowania i urządzenia sterującego. Spotykamy tu zwykle dwa połączone podukłady – regulator przetwarzający sygnały oraz wzmacniacz wzmacniający sygnał regulatora, lub inaczej mówiąc, zapewniający energię do wejścia obiektu sterowania.
Gdy dodamy do tego na przykład programowanie jak w przypadku układów sterowania programowego, przy których dysponujemy pełną wiedzą o procesie, to otrzymujemy w efekcie znaczne ograniczenie lub zastąpienie ludzkiej pracy fizycznej i umysłowej. Oto automatyzacja, dzięki której pół roku zamienia się w dwie godziny. Układów jest oczywiście wiele, tak jak wiele sposobów ich podziału. Jednym z takich nowszych typów wśród układów sterowania przy niepełnej informacji o procesie są te oparte o sieci neuronowe.
Robotyka jest obecna wszędzie i staje się coraz bardziej dostępna. Okej, roboty nie chodzą jeszcze po ulicach, to fakt. Nie są aż tak powszechne nawet w tradycyjnie kojarzonym z robopostępem Tokio czy w ogóle w Japonii. Mimo to spotykamy je w domu, na drodze, pod niebem, na polach, w edukacji i wzdłuż linii, które dostarczają prąd do naszych domów. A najlepsze jest to, że osiągnięcia robotyki stały się finansowo osiągalnie dla przeciętnego odbiorcy.
Klasyfikacja dzieł robotyki nigdy nie jest sprawą prostą. Łączą się one często z modułami popularnych platform programistycznych i edukacyjnych takich jak płytki i moduły Arduino, minikomputery oraz moduły Raspberry Pi albo edukacyjne minikomputery i płytki BBC Micro:bit. Wiele spośród nich znajdziecie jako kategorie pomocnicze właśnie tam. W odcinku drugim spróbujemy z robotyką jeszcze swobodniej – będzie idealnie do czytania z dziećmi. 🙂
BD140 – Co to jest? Dane techniczne, schemat
Zapraszamy do lektury naszego artykułu o tranzystorze PNP BD140! Dowiedz się więcej o tym wszechstronnym elemencie elektronicznym i jego zastosowaniach.
