Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Minulost a budoucnost robotů

Od roku 1920, kdy Karel Čapek uvedl své drama R.U.R. (Rossum´s Universal Robots), volně přeloženo: „Univerzální roboti pana Rozuma“ (přesněji mozku či intelektu), se za­čalo slovem „robot“ označovat jakékoliv automatické i mechanizační zařízení, a to od ku­chyňských strojků až po automatické piloty. V průběhu let lidé v podstatě stále opakují četné pokusy o umělé konstrukce zařízení podobajících se člověku, zejména na mecha­nickém principu. Dlužno podotknout, že tento princip byl Karlu Čapkovi cizí; jeho „ro­boti“ byli koncipováni pouze na biochemické bázi. My technici však počítáme roboty, zejména ty průmyslové, mezi neživé stroje, a proto je také skloňujeme podle neživotné­ho vzoru „hrad“.
 

Od utopie ke skutečnosti

V průmyslové výrobě jsou široce využívá­ny stroje, které plní určité funkce za člověka. Zmíněné stroje ale obvykle nejsou nazývány roboty, ale automaty. To je dáno především tím, že tyto automaty jednak svým vzhledem člověka velmi málo připomínají a jednak je jejich funkce většinou poměrně úzce speci­alizovaná (autooperátory, jednoúčelové ma­nipulátory).
 
Na obr. 1 je znázorněn historický vývoj výrobních strojů a robotů. Přestože vývoj vý­robních strojů započal mnohem dříve, je zde za výchozí období zvolen přelom 15. a 16. sto­letí. Je možné sledovat skutečný vývoj výrob­ních strojů s jejich postupným zlepšováním a mechanizací a současně pozorovat předsta­vy o fiktivních umělých bytostech, jako např. od Golema směrem k Čapkovým robotům z R.U.R. Pro vývoj robotů je podstatný vyná­lez číslicového řízení, NC, v polovině 20. sto­letí. Výrobní stroje NC ve spojení s manipulá­tory a průmyslovými roboty s řízením NC ved­ly k realizaci představ o automatické výrobě.
 
V roce 1961 totiž přišla americká firma AMF na trh s mnohoúčelovým automatem nazvaným průmyslový robot VersaTran (Ver­satile Transfer). O něm je možné říci, že za­stával funkci člověka u výrobního stroje, avšak neměl jeho podobu. Poté již nabral vý­voj neuvěřitelné obrátky. Symbióza průmys­lových robotů a výrobních strojů NC na pře­lomu 20. a 21. století umožnila vznik plně automatizovaných továren, jakou provozuje např. japonská firma Fanuc. Jiné průmyslo­vé roboty směřovaly do nestrojírenských ob­lastí, včetně zemědělství.
 

Učení a programování robotů

V červeně orámované části obr. 1 jsou znázorněny dva typické příklady průmyslo­vých robotů. Robot vlevo může být progra­mován bezprostředním učením, jak ukazuje obr. 2. Programátor jej vede v režimu teach po požadované dráze, která se nahraje do ří­dicího systému, a po aktivování nahraného programu robot naučenou činnost v režimu repeat neúnavně opakuje. Takový robot na­lezne uplatnění zejména při průběžném sva­řování po požadované dráze nebo při nanášení nátěrových či ochranných hmot. Robot v čer­veném rámečku vpravo je programován zpro­středkovaně z programovacího panelu, při­čemž programátor navede robot vždy do po­žadovaného bodu, který si robot zapamatuje, a pak vykonává práci podle zadané činnos­ti mezi jednotlivými body nebo v těchto bo­dech. Takový robot je velmi vhodný např. pro bodové svařování karoserií v automobilkách.
 
Určitým odbočením od řízení NC jsou biorobotická (protetická) zařízení, řízená s využitím metody master-slave, popř. nervovými signály EMG (elektromyogrammetrickými).
 

Humanoidní roboti

Vývoj v robotice však sleduje i ten nejfan­tastičtější směr, tedy k mobilním, kráčejícím a humanoidním robotům (např. firma Honda). Je až fascinující, jak se tato zařízení podoba­jí fiktivnímu Golemovi. Bezprostřední učení průmyslových robotů může zase připomínat oživování Golema tajemným „šémem“, vklá­daným do jeho hlavy. Robot nazvaný piano-player profesora Ichiro Katóa z Wasedské univerzity v Tokiu doprovázel celý symfo­nický orchestr na světové výstavě v Ósace. Humanoidní robot Honda, ale i jiní „androi­di“, dokáže chodit i po schodech, nosit před­měty, tančit apod. Takovíto roboti si již patr­ně zaslouží skloňování podle rodu mužského životného, a je jim tedy možné říkat „roboti“.
 

Robot, či manipulátor?

Při studiu robotiky se hledá také vhod­ná definice pro manipulátor, průmyslový ro­bot i samotný robot. Pojem robot je doposud ve světové literatuře definován poněkud ne­jednotně. O nepochopení základní filozofie ro­botů svědčí některé definice odvozené od po­čtu stupňů volnosti, např.: „Robot je zaříze­ní od tří stupňů volnosti, do tří stupňů jde o manipulátor“ nebo „Průmyslový robot je automa­tické manipulační zařízení libo­volně programovatelné ve třech osách s podávacími chapadly nebo technologickými nástroji, určené pro použití v průmyslu“. Nicméně posledně uvedená defi­nice vyvolává další otázku: zda je robot totéž co průmyslový robot. Přívlastek průmyslový naznaču­je, co mají autoři závěrečné čás­ti této definice na mysli, totiž že průmyslový robot je určitou pod­množinou robotů jako takových. Pro všeobecný pojem „robot“ lze přijmout definici původně vyslo­venou Ing. Ivanem M. Havlem, CSc. [2]: „Robot je automatický nebo počítačem řízený integro­vaný systém, schopný autonom­ní, cílově orientované interakce s přirozeným prostředím, podle instrukcí od člověka. Tato inter­akce spočívá ve vnímání a rozpo­znávání tohoto prostředí a v ma­nipulování s předměty, popř. v pohybování se v tomto prostře­dí.“ Tato definice nepochybně za­hrnuje různé robotické systémy pro rozmanitá, nejen průmyslo­vá použití. Povahu průmyslové­ho robotu vystihuje velmi dobře definice podle prof. P. N. Beljani­na [1]: „Průmyslový robot je au­tonomně fungující stroj-automat, který je určen k reprodukci někte­rých pohybových a duševních funkcí člověka při provádění pomocných a základních výrob­ních operací bez bezprostřední účasti člověka a který je k tomuto účelu vybaven některými jeho schopnostmi (sluchem, zrakem, hmatem, pamětí a podobně), schopností samovýuky, sa­moorganizace a adaptace, tj. přizpůsobivostí k danému prostředí.“ Definované zařízení je právě onou žádanou náhradou člověka ve vý­robním procesu. O tom, zda jde o průmyslo­vý robot či manipulátor, je třeba rozhodnout na základě úrovně inteligence, tj. úrovně jeho řídicího systému. Jednotné měřítko na přesné oddělení manipulátorů od průmyslových ro­botů v podstatě neexistuje.
 

Člověk a robot ve výrobním procesu

Pro obecné porovnání vlastností stroje s člověkem ve výrobním procesu mohou být využity tyto kategorie:
  • fyzické možnosti – síla, rychlost, schop­nost nepřetržité práce, stabilita charakte­ristik, trvanlivost, spolehlivost atd.,
  • funkční možnosti – přizpůsobivost, univer­zálnost, možnost přemisťování v prostoru, manipulovatelnost apod.,
  • úroveň inteligence – vnímání, chápání a rozhodování, paměť a logika.
Uvedené tři kategorie je možné znázornit v prostorovém diagramu s kartézskými sou­řadnicemi x, y z na obr. 3. Možnosti člověka ve výrobním procesu jsou znázorněny vlevo. Člověk se vyznačuje značnou úrovní inteli­gence (potřebnou pro daný výrobní proces), poměrně dobrou úrovní funkčních možností, avšak velmi malými fyzickými možnostmi. Toho si byl člověk od pradávna velmi dob­ře vědom, a proto všechny dosavadní stroje v podstatě napomáhaly člověku rozšířit pře­devším tyto jeho malé fyzické možnosti. Jed­noduché stroje jsou znázorněny jednorozměr­ně pouze na ose fyzických možností.
 
Stavební a jim podobná zařízení ovláda­ná a řízená přímo člověkem, jako jsou např. bagry, skrejpry, ale též polohovače (balancé­ry), synchronní manipulátory (teleoperátory) apod., představují v daném diagramu dvou­rozměrné stroje v rovině určené osami fyzic­kých možností a funkčních možností.
 
Naproti tomu matematické a informační stroje (počítače, řídicí systémy) jsou rovněž v daném diagramu dvourozměrné, ale v rovi­ně určené osami fyzických možností a úrovní intelektu možnost pohybu nemají.
 
Teprve prolnutím vlastností zmíněných dvourozměrných strojů vzniká průmyslový manipulátor nebo robot, tedy stroj odpovída­jící v tomto schématu trojrozměrnému zná­zornění člověka ve výrobním procesu.
 
Vzhledem k tomu, že téměř všechny stroje převyšují fyzické možnosti člověka a mnoho z nich i jeho funkční možnosti (např. poloho­vače pro kosmický výzkum apod.), a přitom nejde o roboty, je zřejmé, že o kvalifikaci prů­myslového manipulátoru či robotu rozhoduje především úroveň jeho intelektu, čili jeho au­tomatického řídicího systému. Přitom pojem robot zdůrazňuje, že jde o zařízení složitěj­ší než manipulátor, především co do řídicího systému. Toto rozlišení naznačuje dělicí rovi­na mezi manipulátory umís­těnými níže a roboty posta­venými výše, která ve sché­matu na obr. 3 leží kolmo k ose inteligence. To značí, že úroveň intelektu není pev­ná, ale s pokračujícím vývo­jem se bude stále posouvat směrem nahoru. Zařízení, které před časem bylo na­zýváno robotem, se postup­ně, s přihlédnutím k novým možnostem řídicích systé­mů, stává pouhým manipulá­torem. Určující složkou vý­vojového stupně průmyslo­vých robotů a manipulátorů (PRaM) je proto úroveň je­jich řízení.
 

Systémové pojetí robotů

Z uvedených definic ro­botů a z celkového pohledu na tato složitá zařízení jedno­značně vyplývá, že průmyslové roboty je nutné chápat jako určitou podmnožinu robotů, který­mi mohou být i mobilní roboty, ať již pojízdné na různých typech kolových a pásových pod­vozků, či roboty kráčející, zkonstruované až do podoby zvířat či androidů. Zejména u mo­bilních robotických systémů představuje ma­nipulační rameno mechanismus, který v celko­vém pojetí je téměř samostatným akčním sys­témem, který může být použit jako stacionární průmyslový robot, popř. vybavený navíc i jed­noduchým či složitějším lokomočním ústrojím.
 
Při studiu činnosti robotů, ať experimentál­ním či teoretickém, není ve sledovaném proce­su zkoumána jen dvojice robot a prostředí, ale ve skutečnosti vždy trojice člověk, robot a pro­středí. Z tohoto hlediska představují tedy prů­myslové roboty (a roboty jako takové taktéž) integrovaný kybernetický systém, jejž podle obr. 4 tvoří tyto tři subsystémy:
  • vnímací, tedy senzorický subsystém,
  • řídicí a rozhodovací subsystém,
  • akční (motorický) subsystém.
Vnímací subsystém zprostředkovává vaz­bu s prostředím a obsahuje různé složky podle fyzikálního charakteru sledované veliči­ny. Skládá se z čidel pro získávání informací z vnitřního i vnějšího pracovního prostředí.
 
Řídicí a rozhodovací subsystém předsta­vuje centrum „duševní činnosti“ robotu, je jeho „mozkem“. Informace, které přicházejí z vnímacího subsystému, a informace, které jsou uloženy v jeho paměti, jsou zpracovává­ny pro plánování a rozhodování o úkonech, které mají být prováděny.
 
Obor technické robotiky vztahující se pře­devším k automatizaci manipulace u výrob­ních strojů a systémů NC řeší především akční systém průmyslových robotů, který se z konstrukčního hlediska skládá z pojez­dového (lokomoční) ústrojí, polohovacího ústrojí, orientačního ústrojí a výstupní hlavi­ce (koncové efektory). Ukázka akčního sys­tému na robotu, který je vybaven i lineárním pojezdovým ústrojím, je na obr. 5.
 
Studium a vývoj adaptivních koncových efektorů s vestavěnými senzorickými a pod­dajnými prvky spadají také do nově se roz­víjejícího oboru mechatroniky, který je apli­kován i v ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky FSI VUT v Brně.
 
Literatura:
[1] BELJANIN, P. N.: Promyšlennyje roboty. Mašinostrojenie, Moskva, Rusko, 1975.
[2] HAVEL, I. M.: Robotika. Úvod do teorie ko­gnitivních robotů. SNTL, Praha, 1980.
[3] NODA, K.: Posobije po primeněniju promyš­lennych robotov. Mir, Moskva, Rusko, 1975 (překlad z japonštiny).
 
prof. Ing. Zdeněk Kolíbal, CSc.,
ústav výrobních strojů, systémů a robotiky,
 FSI VUT v Brně
 
Obr. 1. Nástin vývoje výrobních strojů a robotů
Obr. 2. Bezprostřední učení průmyslového robotu
Obr. 3. Schematické porovnání člověka a stroje ve výrobním procesu [3; str. 38]
Obr. 4. Systémové pojetí robotů
Obr. 5. Rozdělení akčního systému stacionárního průmyslového robotu: X – pojezdové ústrojí; C, B, B’ – polohovací ústrojí (jedno z možných uspořádání); Br – referenční bod, ustavující orien­tační ústrojí v prostoru; A0, B0, C0– orientační ústrojí (jedno z možných uspořádání) Poznámka: X, Y, Z – souřadnice translačního pohybu; A, B, C – souřadnice rotací okolo os x, y, z; A0, B0, C0– souřadnice rotací orientačního ústrojí