Spis treści:
Dziś przyjrzymy się robotom trochę dokładniej. Mimo tego będzie jeszcze prościej niż ostatnio. Śladem części pierwszej nie będziemy wnikać w bardzo złożone szczegóły, ale nauczymy się trochę o tym, co robot musi mieć, aby działać. Potem zajmiemy się tym, co służy mu do czego. Można czytać swobodnie z najmłodszymi!
Co już wiemy o robotach?
W części pierwszej ogólnie i dość szybko przemknęliśmy przez historię rozwoju nauki, jaką jest robotyka. Wiemy już, że ma za sobą bogatą przeszłość. Rozpoznaliśmy też to, czego od robotyki spodziewamy się albo chcielibyśmy się spodziewać w przyszłości. Wiemy już, co to znaczy automatyzacja i wiemy, że roboty służą nam coraz częściej w prostych zadaniach. Tyle że z okien szybko jadącego pociągu niewiele widać, dlatego dzisiaj spróbujemy zrobić to trochę staranniej, ale za pomocą prostych przykładów.
Wyobraźmy sobie, że planujemy zakup samochodu albo jakiegoś innego urządzenia. Spełnia ono interesujące nas funkcje i potrafi zrobić sporo fajnych rzeczy. Najpierw przeglądamy ofertowy katalog – gazetkę albo jakiś folder opisujący wszystko w kolorowy sposób. Następnie w nasze ręce trafia instrukcja obsługi. Jest zwykle napisana na tyle prosto, abyśmy mogli wszystko dobrze zrozumieć i uruchomić urządzenie.
Gdy spotyka nas robotyka… co to takiego? Część 1
Pedipulatory, sterowanie adaptacyjne, sekwencje… nie, nie, jeszcze raz nie! Podejdźmy do tego lżej od strony teoretycznej – przecież można.
Ciekawe z zewnątrz, a w środku jeszcze ciekawsze
Czasami jednak potrzebujemy jakiejś bazy wiedzy, której instrukcja nie dostarcza. Czasami po instrukcji przychodzi czas na prawdziwe schematy techniczne. Możemy je przeglądać, ale dla wielu są raczej nudne i trudne. Są też tacy, którzy widzą w nich zupełnie coś innego. Rozumieją je tak dobrze, jak dom i drzewa namalowane akwarelą na lekcji plastyki.
Czytać i odczytywać – te dwa słowa mają różne znaczenie. To tak, jak czasami można patrzeć, ale wcale nie widzieć, albo słuchać, ale tak naprawdę wcale nie słyszeć.
Na zdjęciach dom i dom. Które zdjęcie Wam się bardziej podoba? Niezależnie od tego, który wybierzemy, jedno nie może istnieć bez drugiego. Schemat opisuje kształt domu. Jest wskazówką dla budowniczego, konstruktora albo projektanta. Gotowy budynek domu realizuje to, co pokazuje schemat. To zupełnie jak robot: nie będzie kompletny bez pewnych elementów, które musi zrozumieć ten, kto z nim pracuje. Nawet jeżeli nie planujemy budować robotów, to zawsze możemy zechcieć uzupełnić go o nowe funkcje albo po prostu naprawić.
Pierwsze koty za płoty (i nie tylko roboty).
O tym, jak obawialiśmy się nowego
Pierwsze pociągi budziły strach.
Szybki marsz to 5-6 kilometrów na godzinę. Z obciążeniem idziemy jeszcze wolniej. Wóz konny poruszał się niewiele szybciej. Pierwsza linia kolejowa, która powstała na długo przed samochodami, bo w 1825 roku, przywodziła na myśl pytanie: a po co tak szybko? Prędkość konstrukcyjna pierwszego parowozu z 1829 roku wynosiła zawrotne 48 kilometrów na godzinę. To taka, z jaką dziś poruszają się pojazdy w terenie zabudowanym. Lokomotye nazwano Rakietą Stephensona – The Rocket, od nazwiska jej konstruktora Roberta Stephensona. Też mi rakieta!
Opinię pociągom popsuł pierwszy groźny wypadek w 1830 roku. Czy to zatrzymało ich rozwój? Nie! Wcale nie zrezygnowaliśmy z pociągów pomimo obaw tych, którzy korzystali z nich jako pierwsi. Wkrótce się do nich przekonano. A dziś japoński pociąg magnetyczny Maglev osiąga niesamowitą prędkość ponad 600 kilometrów na godzinę.
Pierwsze pociągi znajdowały zastosowanie tylko w zakładach przemysłowych i kopalniach. Były napędzane były siłą mięśni zwierząt pociągowych lub ludzi. Silnik parowy zmienił wszystko. Powstawały nowe linie kolejowe. Obok nich powstały miasta. Z czasem pojawiły się pociągi elektryczne, a potem pociągi z silnikiem Diesla. Nikt nie spodziewał się, że będą służyć tak błyskawicznym podróżom pasażerskim. Z czasem zaczęły przewozić zwierzęta, mleko, pocztę, zboże, towary, drewno i papier. Spodobały się i zakochaliśmy się w nich.
Pierwsze prawdziwe roboty
Nie inaczej było z robotami. Pierwsze pomysły wzbudzały żywe zainteresowanie, ale było też w tym trochę strachu. Kiedyś pisaliśmy dla Was o pierwszych automatach, których robotami z prawdziwego zdarzenia nazwać się dzisiaj raczej nie da. Dziś obawiamy się, że szybki rozwój robotów wpłynie na nasze życie w negatywny sposób. Jednak roboty nadal się rozwijają. Znajdujemy in nowe zadania, a one ułatwiają nam życie w niespotykany dotąd sposób. Robotem jest nawet inteligentny, domowy odkurzacz, który rozpoznaje stół i kanapę, aby się z nimi nie zderzać.
A jak wyglądał pierwszy prawdziwy robot stworzony do konkretnych zadań?
Został stworzony w 1947 roku. Miał napęd elektryczny. Nazywał się Mechanical Lobster, czyli z angielskiego mechaniczny homar. “Zwierzak” miał służyć odkrywaniu podwodnego świata i wraków na dnie morza.
Ten rodzaj robota określono mianem teleoperator.
Źródło zdjęć: Cybernetic ZOO
Teleoperacja brzmi dość skomplikowanie, ale oznacza po prostu działanie systemu lub maszyny na odległość. Tego pojęcia używają raczej naukowcy, badacze i inżynierowie. My zostaniemy na razie przy określeniu zdalne sterowanie. Znamy je z pojazdów RC takich jak samochodziki na baterie.
Dziesięć lat wcześniej, w 1937 roku, świat poznał Elektro – robota w kształcie człowieka skonstruowanego w USA. Ważył 120 kilogramów, chodził, palił papierosy i nadmuchiwał balony, przypominał jednak raczej zabawkę i był po prostu ciekawą prezentacją. Miał fotoelektryczne oczy rozpoznające światło czerwone i zielone, a w 1940 otrzymał do towarzystwa pieska-robota Sparko.
Kolejne roboty powstające w drugiej połowie dwudziestego wieku trafiały do użytku w handlu i produkcji. Potem zaczęły wspierać medycynę i wojsko. Dopiero u końca tej bardzo długiej drogi zajrzały do naszych domów i wygląda na to, że nasi elektroniczni i robotyczni koledzy czują się w nich coraz lepiej.
Elektro i Sparko nie mogli przewidzieć, że kolejne pokolenia robotów staną się aż tak popularne. Nie wiemy też, czy tak naprawdę podejrzewali to ich konstruktorzy, ale z pewnością o tym marzyli.
Co musiał mieć robot
Początkowo roboty były projektowane do wykonywania prostych czynności związanych z przenoszeniem materiałów. Zupełnie jak nasz homar. Robot posiadał program pracy. To taki zestaw instrukcji, który opisuje w języku zrozumiałym dla robota to, co ma dla nas wykonać. Program zawierał zamkniętą listę ruchów z punktu A do punktu B. Było to zamknięcie i otwarcie chwytaka, czyli uchwycenie oraz odłożenie przenoszonego przedmiotu zupełnie tak, jak robimy to my, gdy chcemy coś przenieść z miejsca na miejsce.
Roboty nie były wyposażone w żadne zewnętrzne czujniki, które moglibyśmy nazwać oczami i uszami robota. Dopiero zastosowanie robotów do bardziej skomplikowanych czynności takich jak spawanie, stępianie krawędzi albo montaż skłoniło konstruktorów do opracowania naprawdę złożonych urządzeń. Roboty szybko uzyskały więc możliwość wykonywania skomplikowanych ruchów, a czujniki, czyli zmysły robotów, pozwoliły im na kontakt z otoczeniem.
Zanim pójdziemy dalej, warto jeszcze co nieco uporządkować. Roboty, które opisaliśmy, nazwalibyśmy manipulatorami.
Manipulator to mechanizm przeznaczony do realizacji pewnych funkcji kończyny górnej człowieka. Możemy wyróżnić dwa rodzaje funkcji manipulatora. Funckja manipulacyjna jest wykonywana przez chwytak. Funkcja wysięgnikowa jest realizowana przez ramię. To taka ręka, albo precyzyjniej: ramię robota.
Robot to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i ruchowych człowieka. Posiada określony poziom energetyczny, informacyjny, a nawet inteligencji maszynowej. Inteligencja maszynowa to samodzielność działania w środowisku – bez ciągłej kontroli tego, kto steruje robotem.
Robot otrzymuje zmysły
Spójrzmy na to tak. Posiadamy pięć zmysłów:
- wzrok,
- słuch,
- węch,
- smak,
- dotyk.
Potrafimy z nich korzystać, bo mamy oczy, uszy, nos, usta oraz skórę. Potrafimy patrzeć, słyszeć, czuć zapachy, smaki i poznawać dotykiem. To trochę jak specjalne czujniki, w które wyposażyła nas natura.
Roboty też to potrafią. Może ich zmysły nie są jeszcze tak wspaniałe jak nasze, ale my również uczymy się korzystać ze zmysłów, gdy jesteśmy mali. Na początku też korzystamy z pomocy mamy i taty. Dopiero poznajemy świat sami. Wreszcie potrafimy sami nazywać kolory, rzucać piłką do celu i rozpoznawać w trawie różne owady. Robot potrafi zrobić tylko, na co pozwoli mu jego konstruktor – jego umiejętności zależą od umiejętności nauczyciela-konstruktora, który go stworzył.
Dziś niektóre roboty potrafią nawet uczyć się z otoczenia samodzielnie! Ale skąd mają te wiedzę?
Czujniki dla robotów
Może nie wszystko działa tak samo jak u nas i zwierząt, ale efekty są naprawdę wspaniałe.
Wzrok robota. Robot dysponujący zmysłem wzroku potrafi odczytywać na przykład kolory, gesty, kody kreskowe i informacje zamieszczone na etykietach. Pomogą mu w tym czujniki światła albo czujniki gestów. Od pewnego czasu funkcje widzenia dla robotów i podobnych maszyn pełnią nawet skanery laserowe, które obserwują i rozpoznają elementy otoczenia, na które urządzenie “patrzy”.
Słuch robota. Czujniki dźwięku, czujniki fall akustycznych z mikrofonem i czujniki wibracji to przetworniki – tak jak nasze narządy słuchu przetwarzające dźwięki. Wykrywają drgania w postaci fal o różnej częstotliwości i zamieniają je na sygnał elektryczny. Znowu widzimy podobieństwa – nasz mózg również ma aktywność elektryczną i da się ją zmierzyć.
Węch robota. Tutaj jest już trochę trudniej. A raczej: inaczej. Na to, jak odbieramy zapachy, wpływają nasze wspomnienia i skojarzenia – zupełnie tak, jak jest to z obrazami i dźwiękami. Poznajemy świat poprzez doświadczenia i pewne rzeczy kojarzą nam się dobrze, inne źle, a już na pewno innym osobom mogą kojarzyć się zupełnie inaczej. Dzięki czujnikom gazów i czujnikom czystości powietrza robot może nie rozróżni zapachu malinowego ciasta od zapachu tulipanów, ale wykryje na przykład szkodliwe dla człowieka związki chemiczne w powietrzu.
Smak robota. Na szczęście nie musimy karmić naszych robotów! Jednak do prawidłowego działania potrzebują one zasilania tak, jak my potrzebujemy jedzenia, a rośliny światła słonecznego. Nic nie porusza się przecież samo. Jeżeli połączymy odżywianie ze smakiem, to oprócz źródła prądu przydają się tutaj czujniki prądu pomagające w kontroli różnych zjawisk takie jak moc czy opór, które poznajemy na lekcjach fizyki. Brzmi skomplikowanie? Spójrzmy na to tak: my też musimy mierzyć kalorie i wartości odżywcze naszego pożywienia. Mierzymy ciśnienie krwi tak, jak miłośnicy robotów mierzą prąd płynący w badanym obwodzie.
Dotyk robota. Tutaj opcji jest najwięcej. Dotyk może przyjmować różne formy. Dlaczego? Ponieważ z jego pomocą określamy bardzo wiele rzeczy. Tak jak pozostałe zmysły dostarcza dla nas informacji z otoczenia. Zależnie od swojej roli robot może rozumieć odległość od przedmiotu, orientować się w terenie dzięki takiemu urządzeniu jak żyroskop, kontrolować swój ruch i przyśpieszenie dzięki akcelerometrowi i posiadać wbudowany kompas, czyli magnetometr. Równie ważne są czujniki magnetyczne, czujniki odbiciowe, czujniki nacisku albo czytniki linii papilarnych. Nasza skóra “czuje” również temperaturę i jej zmiany, i tak też robot może posiadać czujnik wilgotności oraz czujnik temperatury.
Widzimy, że wykonywanie wielu zadań łączy informacje płynące z wielu zmysłów. Roboty również poznają świat trochę inaczej, niż my, na przykład wykrywają nawet bardzo niewielkie zmiany pola magnetycznego, które są dla nas niezauważalne. Część czujników nawet zupełnie nie pasuje do opisu naszych zmysłów!
Nie mniej ważny jest tutaj sposób ruchu. Roboty mobilne to urządzenia, które potrafią jeździć, chodzić (kroczyć), latać i pływać. Czasami potrafią tylko jedną z tych czynności, czasami kilka. Wykonują różne zadania. Często są one podobne do zadań zwierząt posiadających kończyny (kręgowce) lub odnóża (owady). Przemieszczają się za pomocą gąsienic, kół albo ruchomych kończyn.
Dla ambitnych: generacje robotów i ich podział
- Roboty pierwszej generacji to roboty zaprogramowane tak, aby wykonywały w kółko daną czynność. Można je przeprogramować, aby robiły coś innego. W robotach tej generacji stosowano przeważnie otwarty układ sterowania. Taki robot charakteryzuje się całkowitym brakiem sprzężenia zwrotnego od stanu manipulowanego przedmiotu – oznacza to, że jeżeli przenoszony przez niego karton się przewróci, to robot nie poradzi sobie z zadaniem.
- Roboty II generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać pomiarów stanu robota i otoczenia. Robot rozpoznaje obiekt nawet wtedy, gdy przemieszcza się z innymi obiektami. Potrafi też go rozpoznać bez względu na jego położenie i kształt geometryczny. Takie roboty realizują te wymagania za pomocą zespołu czujników.
- Roboty III generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać bardzo złożonych pomiarów. Rozpoznają kształty i nawet rozumieją sytuacje, w których się znalazły. Często posiadają zdolności adaptacyjne, czyli umiejętności przystosowania się do warunków otoczenia. Z wieloma potrafimy się komunikować za pomocą rozpoznawania głosowego.
Oczekujmy, że w robotyce pojawi się coraz więcej różnorodnych czujników, które zapewnią robotą jeszcze lepszą orientację w świecie. Lepsza orientacja oznacza także większe bezpieczeństwo i możliwość wykonywania coraz większej liczby zadań właśnie w bezpieczny sposób. Czujniki będą łączone w moduły, które uproszczą odbiór informacji, obniża koszty działania i spełnią coraz większe wymagania. W przyszłości urządzenia będą z pewnością bezpieczniejsze, bardziej świadome, sprawne i przyjazne dla użytkownika. Roboty czwartej i piątej generacji mają posiadać sterowanie adaptacyjne oraz pełną inteligencję. Ale na to musimy jeszcze poczekać.
Pamiętajmy, że dzisiejszy opis robotów to spore uproszczenie. Nic nie zastąpi prawdziwej wiedzy z zakresu nauk ścisłych. Najciekawsze jest jednak to, że drogą do lepszego poznania robotów i zrozumienia ich tak, jak architekt rozumie plan domu, jest poznawanie nauk przyrodniczych. Podglądanie tego, co dzieje się wokół nas, marsz kolumny mrówek albo lot ptaka w chmurach może nam powiedzieć o robotach więcej, niż mogłoby się wydawać!
Wystąpiły:
