Ruční robotický systém Shadow
Robotika je věda a technika robotů a jejich konstrukce, výroba a aplikace. Robotika souvisí s elektronikou, mechanikou a softwarem.
Příběhy umělých pomocníků a společníků, stejně jako pokusy o jejich vytvoření, mají dlouhou historii, ale plně autonomní stroje se objevily až ve 20. století. První digitálně ovládaný a programovatelný robot
Unimate byl instalován v roce 1961, aby zvedal horké kusy kovu z tlakového odlévacího stroje a skládal je na sebe. Dnes se běžně používají komerční a průmyslové roboty, kteří vykonávají práci levněji nebo přesněji a spolehlivěji než lidé. Jsou také zaměstnáni na práci, která je příliš špinavá, nebezpečná nebo nudná na to, aby byla vhodná pro lidi. Roboti jsou široce používáni při výrobě, montáži a balení, dopravě, průzkumu země a vesmíru, chirurgii, zbraních, laboratorním výzkumu, bezpečnosti a masové výrobě spotřebního a průmyslového zboží.
Podle Oxfordského slovníku angličtiny slovo robotika poprvé použil v tisku Isaac Asimov ve své sci-fi povídce „Lhář!“, která vyšla v květnu 1941 v časopise Astounding Science Fiction. Asimov netušil, že tento termín razí; protože vědou a technikou elektrických zařízení je elektronika, předpokládal, že robotika již odkazuje na vědu a techniku robotů. Slovo robot představil veřejnosti český spisovatel Karel Čapek ve své hře R.U.R. (Rossumovi univerzální roboti), která měla premiéru v roce 1921.
Struktura robota je obvykle většinou mechanická a může být nazývána kinematickým řetězcem (jeho funkčnost je podobná kostře lidského těla). Řetězec je tvořen články (jeho kosti), aktuátory (jeho svaly) a klouby, které umožňují jeden nebo více stupňů volnosti. Většina současných robotů používá otevřené sériové řetězce, ve kterých každý článek spojuje ten předchozí s tím následujícím. Tito roboti jsou nazýváni sériovými roboty a často připomínají lidskou ruku. Někteří roboti, jako například Stewartova platforma, používají uzavřený paralelní kinematický řetězec. Jiné struktury, jako například ty, které napodobují mechanickou strukturu lidí, různých zvířat a hmyzu, jsou poměrně vzácné. Vývoj a použití takových struktur u robotů je však aktivní oblastí výzkumu (např. biomechanika). Roboti používaní jako manipulátoři mají koncový efektor namontovaný na posledním článku. Tímto koncovým efektorem může být cokoliv od svařovacího zařízení až po mechanickou ruku používanou k manipulaci s prostředím.
Robotická noha poháněná vzdušnými svaly
Poháněče jsou „svaly“ robota, části, které přeměňují uloženou energii v pohyb. Zdaleka nejpopulárnějšími pohony jsou elektromotory, ale existuje mnoho dalších, poháněných elektřinou, chemikáliemi a stlačeným vzduchem.
Současné robotické a protetické ruce přijímají mnohem méně hmatových informací než lidská ruka. Nedávný výzkum vyvinul hmatové senzorové pole, které napodobuje mechanické vlastnosti a dotykové receptory konečků lidských prstů. Senzorové pole je konstruováno jako tuhé jádro obklopené vodivou tekutinou obsaženou v elastomerní kůži. Elektrody jsou namontovány na povrchu tuhého jádra a jsou připojeny k zařízení na měření impedance uvnitř jádra. Když se umělá kůže dotkne objektu, dráha tekutiny kolem elektrod je deformována, což vytváří změny impedance, které mapují síly přijaté od objektu. Výzkumníci očekávají, že důležitou funkcí takových umělých konečků prstů bude nastavení robotického uchopení držených objektů.
Roboti, kteří musí pracovat v reálném světě, vyžadují nějaký způsob, jak manipulovat s předměty; vyzvednout, upravit, zničit nebo jinak mít efekt. Proto se „ruce“ robota často označují jako koncové efektory, zatímco rameno se označuje jako manipulátor. Většina ramen robota má vyměnitelné efektory, z nichž každý jim umožňuje vykonávat některé malé množství úkolů. Některé mají pevný manipulátor, který nelze vyměnit, zatímco několik málo jich má jeden velmi obecný účel manipulátoru, například humanoidní ruku.
Pro definitivní návod na všechny formy robotických endektorů, jejich design a použití se podívejte do knihy „Robotické gripeny“.
Podívejte se také na lokomoci robotů.
Segway v muzeu robotů v Nagoji.
Pro jednoduchost má většina mobilních robotů čtyři kola. Někteří výzkumníci se však pokusili vytvořit složitější roboty s koly, kteří mají pouze jedno nebo dvě kola.
Robot iCub, navržený konsorciem RobotCub
Chůze je obtížný a dynamický problém k řešení. Bylo vyrobeno několik robotů, kteří mohou chodit spolehlivě po dvou nohách, ale dosud nebyl vyroben žádný, který by byl tak robustní jako člověk. Bylo vyrobeno mnoho dalších robotů, kteří chodí po více než dvou nohách, protože tito roboti jsou výrazně jednodušší na konstrukci. Hybridi také byli navrženi ve filmech jako iRobot, kde chodí po dvou nohách a přepínají na 4 (ruce+nohy), když jdou na sprint. Typicky, roboti na dvou nohách mohou dobře chodit po rovných podlahách a občas mohou chodit po schodech. Nikdo nemůže chodit po kamenitém, nerovném terénu. Některé z metod, které byly vyzkoušeny, jsou:
Jiné metody lokomoce
Bezpilotní letoun RQ-4 Global Hawk
Dva robotičtí hadi. Levý má 64 motorů (s 2 stupni volnosti na segment), pravý 10.
. Má čtyři nohy, bez pohonu kolečka, která mohou buď vykročit, nebo se kutálet. Jiný robot, Plen, může používat miniaturní skateboard nebo kolečkové brusle a bruslit přes pracovní plochu.
Interakce s životním prostředím a navigace
RADAR, GPS, LIDAR, … jsou kombinovány tak, aby poskytovaly správnou navigaci a vyhýbání se překážkám
Roboti také vyžadují navigační hardware a software, aby mohli předvídat své okolí. Zejména nepředvídané události (např. lidé a jiné překážky, které nestojí na místě) mohou způsobit problémy nebo kolize. Někteří vysoce pokročilí roboti jako ASIMO, EveR-1, Meinü robot mají zvláště kvalitní robotický navigační hardware
a software. Také samořízené auto, auto bez řidiče Ernsta Dickmannse a záznamy v DARPA Grand Challenge jsou schopny dobře vnímat okolí a na základě těchto informací se rozhodovat o navigaci. Většina robotů obsahuje běžné GPS navigační zařízení s waypointy, spolu s radarem, někdy v kombinaci s dalšími senzorovými daty jako LIDAR, videokamerami a inerciálními naváděcími systémy pro lepší navigaci mezi waypointy.
Kismet dokáže vytvořit řadu výrazů obličeje.
Mají-li roboti efektivně pracovat v domácnostech a jiných neprůmyslových prostředích, bude mít zásadní význam způsob, jakým budou instruováni vykonávat svou práci, a zejména to, jak jim bude řečeno, aby přestali. Lidé, kteří s nimi komunikují, mohou mít v robotice malý nebo žádný výcvik, a proto bude muset být každé rozhraní extrémně intuitivní. Autoři sci-fi také obvykle předpokládají, že roboti budou nakonec schopni komunikovat s lidmi prostřednictvím řeči, gest a výrazů obličeje, spíše než pomocí rozhraní příkazové řádky. I když by řeč byla pro člověka nejpřirozenějším způsobem komunikace, pro robota je to zcela nepřirozené. Bude trvat poměrně dlouho, než roboti začnou komunikovat stejně přirozeně jako fiktivní C-3PO.
Robotem manipulovaná marioneta se složitými řídicími systémy
Mechanická struktura robota musí být řízena, aby mohl vykonávat úkoly.
Ovládání robota zahrnuje tři různé fáze – vnímání, zpracování a činnost (robotická paradigmata). Senzory poskytují informace o prostředí nebo o robotovi samotném (např. poloha jeho kloubů nebo jeho koncového efektoru). Tyto informace jsou pak zpracovány pro výpočet příslušných signálů k pohonům (motorům), které pohybují mechanickým tělesem.
Fáze zpracování se může pohybovat ve složitosti. Na reaktivní úrovni může převádět nezpracované informace senzorů přímo do povelů aktuátorů. Fúze senzorů může být nejprve použita k odhadu parametrů zájmu (např. pozice robotova uchopovače) z hlučných dat senzorů. Z těchto odhadů je odvozen okamžitý úkol (např. pohyb uchopovače určitým směrem). Techniky z teorie řízení převedou úkol do povelů, které pohánějí aktuátory.
V delších časových měřítcích nebo se sofistikovanějšími úkoly může robot potřebovat sestavit a domluvit se s „kognitivním“ modelem. Kognitivní modely se snaží reprezentovat robota, svět a to, jak na sebe vzájemně působí. Rozpoznávání vzorů a počítačové vidění mohou být použity ke sledování objektů. Mapové techniky mohou být použity k sestavení map světa. A konečně, plánování pohybu a další techniky umělé inteligence mohou být použity k tomu, aby se zjistilo, jak jednat. Například plánovač může přijít na to, jak dosáhnout úkolu, aniž by narazil na překážky, upadl apod.
Řídicí systémy mohou mít také různou úroveň autonomie. Přímá interakce se používá pro haptická nebo dálkově ovládaná zařízení a člověk má téměř úplnou kontrolu nad pohybem robota. Režimy asistence operátora mají operátora, který velí úkolům na střední až vysoké úrovni, přičemž robot automaticky zjišťuje, jak jich dosáhnout. Autonomní robot může vydržet delší dobu bez lidské interakce. Vyšší úroveň autonomie nemusí nutně vyžadovat složitější kognitivní schopnosti. Například roboti v montážních závodech jsou zcela autonomní, ale pracují podle pevného vzoru.
Studium pohybu lze rozdělit na kinematiku a dynamiku. Přímou kinematikou se rozumí výpočet polohy koncového efektoru, orientace, rychlosti a zrychlení, když jsou známy odpovídající hodnoty spoje. Inverzní kinematikou se rozumí opačný případ, kdy jsou pro dané hodnoty koncového efektoru vypočteny požadované hodnoty spoje, jak se to dělá při plánování dráhy. Některé speciální aspekty kinematiky zahrnují zacházení s redundancí (různé možnosti provedení stejného pohybu), zabránění srážce a zabránění singularitě. Jakmile jsou pomocí kinematiky vypočteny všechny relevantní polohy, rychlosti a zrychlení, používají se ke studiu vlivu sil na tyto pohyby metody z oblasti dynamiky. Přímou dynamikou se rozumí výpočet zrychlení v robotu, jakmile jsou známy aplikované síly. Přímá dynamika se používá v počítačových simulacích robotu. Inverzní dynamika se týká výpočtu sil pohonu nutných k vytvoření předepsaného koncového efektorového zrychlení. Tyto informace mohou být použity ke zlepšení řídicích algoritmů robota.
V každé výše uvedené oblasti se výzkumníci snaží vyvíjet nové koncepty a strategie, zlepšovat ty stávající a zlepšovat interakci mezi těmito oblastmi. K tomu je třeba vyvinout a zavést kritéria pro „optimální“ výkon a způsoby optimalizace návrhu, struktury a řízení robotů.
TOPIO, robot může hrát ping-pong.
Velká část výzkumu v oblasti robotiky se nezaměřuje na konkrétní průmyslové úkoly, ale na zkoumání nových typů robotů, alternativních způsobů, jak o robotech přemýšlet nebo je navrhovat, a nových způsobů jejich výroby.
První konkrétní novinkou v robotdesignu je opensourcing robotických projektů. Pro popis úrovně pokroku robota lze použít termín Generační roboti. Tento termín razí profesor Hans Moravec, hlavní vědecký pracovník Institutu robotiky Univerzity Carnegieho Mellona v popisu blízké budoucnosti vývoje robotické technologie. První, druhá a třetí generace robotů První generace robotů, předpovídal Moravec v roce 1997, by měla mít intelektuální kapacitu srovnatelnou třeba s ještěrkou a měla by být k dispozici do roku 2010. Protože první generace robotů by nebyla schopna učení, profesor Moravec nicméně předpovídá, že druhá generace robotů by znamenala zlepšení oproti první a měla by být k dispozici do roku 2020, s inteligencí možná srovnatelnou s myší. Třetí generace robotů by měla mít inteligenci srovnatelnou s opicí. I když roboti čtvrté generace, roboti s lidskou inteligencí, předpovídá profesor Moravec, by se stali možnými, nepředpovídá, že by se tak stalo dříve než kolem roku 2040 nebo 2050.
Druhým jsou evoluční roboti. Jedná se o metodiku, která využívá evoluční výpočty, které pomáhají navrhovat roboty, zejména tělesnou formu, nebo řídící pohyby a chování. Podobně jako u přirozené evoluce je velké populaci robotů umožněno nějakým způsobem soutěžit, nebo se jejich schopnost vykonávat úkol měří pomocí fitness funkce. Ti, kteří podávají nejhorší výkon, jsou z populace odstraněni a nahrazeni novou sadou, která má nové chování založené na chování vítězů. Postupem času se populace zlepšuje a nakonec se může objevit uspokojivý robot. To se děje bez jakéhokoli přímého naprogramování robotů výzkumníky. Výzkumníci používají tuto metodu jak k vytvoření lepších robotů, tak k prozkoumání podstaty evoluce. Protože tento proces často vyžaduje simulaci mnoha generací robotů, může být tato technika spuštěna zcela nebo většinou v simulaci a poté testována na skutečných robotech, jakmile jsou vyvinuté algoritmy dostatečně dobré.
SCORBOT-ER 4u – vzdělávací robot.
Robotika jako bakalářský obor je poměrně běžná, i když jen málo univerzit nabízí tituly z robotiky.
Ve Spojených státech nabízí bakalářský titul v oboru robotického inženýrství pouze Worcester Polytechnic Institute (WPI). Mezi univerzity, které mají vysokoškolské vzdělání zaměřené na robotiku, patří Carnegie Mellon University, MIT, UPENN, UCLA, WPI a South Dakota School of Mines and Technology (SDSMT).
V Austrálii existují tituly Bachelor of Engineering na univerzitách patřících Centru pro autonomní systémy (CAS): University of Sydney, University of New South Wales a University of Technology v Sydney. Mezi další univerzity patří Deakin University, Flinders University, Swinburne University of Technology, University of Western Australia a University of Western Sydney. Další nabízejí tituly v Mechatronics.
V Indii je na Madras Institute of Technology v Chennai nabízen postgraduální titul v oboru mechatronika. Na SASTRA University, Thanjur a kongu college of engineering v Erode je nabízena mechatronika na bakalářské úrovni.
Ve Velké Británii tituly z robotiky nabízí řada institucí včetně Heriot-Watt University, University of Essex, University of Liverpool, University of Reading, Sheffield Hallam University, Staffordshire University,University of Sussex, Robert Gordon University a University of Wales, Newport.
V Mexiku Monterreyský technologický a vysokoškolský institut nabízí bakalářský titul v oboru Digitální systémy a robotické inženýrství a bakalářský titul v oboru mechatronika.
V Íránu nabízí Šahrood University of Technology a Hamedan University of Technology bakalářský titul v oboru robotické inženýrství. Jiné nabízejí tituly v oblasti mechatroniky. Mezi univerzity, které mají absolventské tituly zaměřené na mechatroniku, patří Sharif University of Technology, Amirkabir University of technology, Khajeh Nasiroddin Tusi University of Technology, Tabriz university a Semnan university.
Roboti se nedávno stali populárním nástrojem při zvyšování zájmu o výpočetní techniku pro studenty středních a středních škol. V prvním ročníku byly na několika univerzitách vyvinuty kurzy informatiky, které zahrnují programování robota namísto tradiční výukové práce založené na softwarovém inženýrství. Příkladem je 6. kurz na MIT a Institut pro osobní roboty ve vzdělávání na Georgia Institute of Technology s Bryn Mawr College.
Některá specializovaná robotická pracovní místa vyžadují nové dovednosti, jako například instalátor a integrátor robotů. Zatímco univerzity již dlouho zahrnují výzkum robotiky do svých studijních nabídek a technologické školy vyučují průmyslové ovládání robotických paží, nové vysokoškolské programy v oblasti aplikovaných mobilních robotů jsou ve vývoji na univerzitách v USA i EU, s pomocí Microsoftu, MobileRobots Inc a dalších společností podporujících růst robotiky.
Kurzy robotiky jsou k dispozici také online, například v RAS Robotic Courseware.
Robotický technik staví malé terénní roboty. (Se svolením: MobileRobots Inc.)
S rostoucím počtem robotů roste počet pracovních míst souvisejících s robotikou. Některá pracovní místa vyžadují stávající pracovní dovednosti, jako je stavba kabelů, montáž dílů a testování.
Všechny externí odkazy na tento článek naleznete na adrese Robot.