plik

2. Słowo wstępne - ROBOTYKA W XXI WIEKU

Można śmiało zacząć od słów Już starożytni ... . Istotnie, właśnie w już starożytności

skonstruowano aniołka podającego ręcznik królowi po kąpieli. Wprawdzie nie był to robot w
sensie obecnej definicji, ale można uznać tę konstrukcję za protoplastę obecnych robotów.
Termin robot pochodzący od słowa czeskiego robota, oznaczającego niewolniczą,
pańszczyźnianą pracę, po raz pierwszy został użyty przez czeskiego pisarza Karola Čapka w
fantastycznym dramacie RUR-Robot Uniwersalny Rossuma wydanym w 1920 roku. Utwór
zyskał dużą popularność i pojęcie robot weszło do niemal wszystkich języków europejskich.
Pierwotnie oznaczało sztucznego człowieka.

,,...   produkować   sztucznych   robotników   to   przecież   to   samo   co   wyrabiać   silniki
spalinowe.   Produkcja   musi   być   jak   najprostsza,   a   produkt   jak   najlepszy,   jak
najpraktyczniejszy...jaki robotnik jest dla fabryki najlepszy?... Taki, który jest najtańszy.
Który   ma   jak   najmniej   potrzeb.   Młody   Rossum   skonstruował   robotnika   mającego
minimum potrzeb. Musiał go uprościć. Odrzucił wszystko, co bezpośrednio nie wiąże
się z wykonywaniem pracy. W ten właśnie sposób zlikwidował człowieka i stworzył
Robota..."

Kareł Čapek: "R.U.R. — Rossum's Universal Robots"— w przesadzie Andrzeja
Sieczkowskiego

Dopiero w połowie lat sześćdziesiątych słowo robot uzupełniono przymiotnikiem,

tworząc nowe pojęcie  robot przemysłowy. W tym znaczeniu ta konstrukcja nie jest kopią
człowieka,   a   jedynie   ma   za   zadanie   wyręczać   człowieka   w   wykonywaniu   licznych   prac,
zwłaszcza   monotonnych   oraz   uciążliwych,   związanych   z   procesem   produkcyjnym.   Tak
narodziła się robotyka i od czasu jej powstania budzi zrozumiałe zainteresowanie. Dotyczy to
również Polski, chociaż trudno uznać, że jest to kraj w tym względzie przodujący.

Stosunkowo późno, wprowadzono u nas nauczanie robotyki, bowiem kierunek studiów

Automatyka i Robotyka został powołany dopiero w 1987 roku. W zakresie robotyki studenci
Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej uczestniczą obowiązkowo w
przedmiocie Podstawy Robotyki, który jest w całości prowadzony przez Katedrę Automatyki.
Studenci   mogą   również   wybierać   dodatkowe   przedmioty   z   tego   kierunku   studiów,
prowadzone przez inne Katedry Politechniki Gdańskiej. W nowym programie studiów udział
robotyki   znacznie   zwiększono,   podwójnie  rozszerzając   czas   przeznaczony   na  Podstawy
Robotyki  oraz wprowadzono nowy przedmiot  Mechatronika  powstały na bazie przedmiotu
Urządzenia Automatyki i Robotyki.

Program wykładów przedmiotu Podstawy Robotyki obejmuje mechanikę i

projektowanie robotów, sterowanie robotów, sensorykę i elementy inteligencji maszynowej
oraz robotykę przemysłową i ze wzglądu na brak aktualnie przedmiotu Roboty Przemysłowe,
program Podstaw Robotyki częściowo zawiera elementy tego pierwszego.

Laboratorium z Podstaw Robotyki jest prowadzone dla studentów odbywających studia

na kierunku Automatyka i Robotyka zarówno na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki jak i
na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej. Ćwiczenia są
prowadzone według skryptu Politechniki Gdańskiej współautorstwa: Ryszarda Arendta,
Andrzeja Grono, Pawła Kubiaka, Artura Opalińskiego i Piotr Orzechowskiego pt.:
„Laboratorium podstaw robotyki”, wydanego pod redakcją Andrzeja Grono.

Laboratorium Podstaw Robotyki jest wyposażone w dwa roboty przemysłowo-

edukacyjne   typ   L2,   produkcji   OBRUSN   Toruń   z   komputerami   sterującymi.   Na   tych
stanowiskach są prowadzone ćwiczenia związane z budową sterowanie i badaniem robotów.
We własnym zakresie opracowano doskonalsze programy sterowania robotów L2. Pozostałe
ćwiczenia   odbywają   się   na   stanowiskach   komputerowych.   Do   symulacji   kinematyki
manipulatora   robota   przemysłowego   oraz   do   symulacji   zrobotyzowanego   stanowiska
montażowego zakupiono w Anglii program WORKSPACE 2.0. Badania symulacyjne układu
sterowania manipulatorem są prowadzone z zastosowaniem oprogramowania otrzymanego z
Politechniki   Warszawskiej.   Dotychczasowe   wyposażenie   laboratorium   uzupełniono   o
stanowisko   sterowanej   numerycznie   wiertarki   do   obwodów   drukowanych,   na   którym   są
prowadzone 3 ćwiczenia. Do pozostałych, nowych ćwiczeń planuje się zakupienie stanowisk
komputerowych.

W nowym programie przedmiotu Podstawy Robotyki przewidziano również

seminarium. Polega ono na prezentacji, analizie i dyskusji dotyczącej najnowszych osiągnięć
w robotyce, na podstawie dostępnej literatury. Tematy są opracowywane i referowane przez
studentów. Szczegółowy dobór tematyki seminarium jest zależny od uzdolnień i
zainteresowań grupy studenckiej.

Wprowadzony w nowym programie studiów przedmiot Mechatronika stanowi

uzupełnienie praktycznej wiedzy z tej dziedziny.

Należy mieć świadomość, że obecny student - to inżynier działający głęboko w XXI

wieku.   Jak   wówczas   będzie   wyglądała   robotyka?   Uważa   się,   że   obecna   doba   należy  do
komputerów, a już za kilka lat człowiekowi trudno będzie obejść się bez robotów. Na rynku
pojawiają się roboty coraz sprawniejsze i coraz tańsze. Naukowcy i konstruktorzy uważają, że
wkrótce nasili się w społeczeństwach zapotrzebowanie, a zarazem i popyt na roboty przede
wszystkim ułatwiające codzienną pracę, np. automatyczne odkurzacze czy rozmaite zabawki
dotrzymujące   dzieciom   towarzystwa.   W   2010   roku   można   spodziewać   pierwszych
wielofunkcyjnych   robotów,   ale   wykonujących   takie   czynności,   na   jakie   zostały
zaprogramowane. Prognozuje się, że dziesięć  lat później pojawią się roboty inteligentne - z
możliwością uczenia się nowych zadań. Oczywiście te prognozy są oparte na dzisiejszym
stanie wiedzy i obecnych możliwościach technicznych.

Inżynierowie europejscy i amerykańscy zrezygnowali już z prób skonstruowania robota

androidalnego, czyli podobnego do człowieka. Ich celem jest zbudowanie maszyn służących
ludziom. Jedynie Japończycy nie zaniechali starań i nadal trudzą się, by ich roboty wyglądały
jak ludzie. Fumio Hara z Science University w Tokio skonstruował już nawet głowę robota do
złudzenia przypominającą twarz znanej w Japonii prezenterki telewizyjnej. Ta mechaniczna
głowa za pomocą zainstalowanych w niej kamer potrafi śledzić „wzrokiem” ludzi i
naśladować ich mimikę.

Także producent samochodów Honda pracuje nad robotem androidalnym. Udało mu się

już skonstruować prototyp. Jest to mechaniczny 160-centymetrowy ludzik o roboczej nazwie
P3. Potrafi się z wdziękiem poruszać, nawet wchodzić po schodach i otwierać drzwi. Bez
trudu osiąga prędkość 2 km/godz., jednak już po 25 minutach musi udać się do stacji
ładowania akumulatorów. Ten model ma już następcę. Są też tacy, którzy twierdzą, że na tym
właśnie polega wyższość robota nad człowiekiem. Maszynie, nawet człekopodobnej, można
doładować lub wymienić akumulatory. A jednak życie robota zależy od człowieka. Paradoks
cywilizacji czy też świadoma ostrożność homo sapiens? Każdy ruch robota jest
zaprogramowany i sterowany na odległość przez człowieka. Nigdy ten mechaniczny człowiek
nie osiągnie doskonałości istoty ludzkiej.

Powodem, dla którego Japończycy z takim samozaparciem dążą do skonstruowania

robota-człowieka lub choćby maszyny przyjaznej człowiekowi, jest szybkie starzenie się

3. Rys historyczny rozwoju robotyki i sytuacja obecna

3.1. Rys historyczny rozwoju robotyki

Pierwsze automaty pojawiły się już w czasach starożytnych. Archytas z Tarentu,

przyjaciel Platona, 400 lat p.n.e. wynalazł kilka ciekawych zabawek mechanicznych, np.
takich jak fruwające ptaki. Wykonał drewnianego gołębia, który według przekazów
historycznych mógł latać.

W średniowieczu konstruowano tzw. androidy, tj. ruchome figury o wyglądzie

człowieka,   wykonujące   określone   czynności,   np.   zamykanie   i   otwieranie   drzwi,   witanie
wchodzących.   W   średniowieczu,   odrodzeniu   i   czasach   poprzedzających   rewolucję
przemysłową   powstało   wiele   różnych   mechanizmów,   wykonujących   określone   czynności.
Mimo   że   nie   była   wtedy   znana   elektryczność,   zbudowano   wiele   przedziwnych   modeli
poruszanych energią wody, siłą  ciężkości,  energią zmagazynowaną w sprężynach. W tym
okresie   budowano   przepiękne   zegary  z   poruszającymi   się   figurkami   ludzi   i   zwierząt.   Za
najbardziej skomplikowany uważa się automat wykonany w 1774 roku przez Jaqueta Drosa,
w postaci dziewczynki grającej na klawikordzie. Lalka ta poruszając ramionami, wybierała
palcami  właściwe klawisze i grała melodię przez pięć minut. Androidy zbudowane przez
Jaqueta Drosa można zobaczyć w muzeum w Neuchatel (Szwajcaria). Cechą  wspólną tych
mechanizmów   była   próba   naśladowania   ruchu   żywych   organizmów,   przede   wszystkim
człowieka i zwierząt.

Słowo robot po raz pierwszy pojawiło się w 1920 roku, kiedy to czeski pisarz Karel

Ćapek napisał dramat fantastyczno-naukowy „R.U.R. - Robot Uniwersalny Rossuma”. Pisarz
nazwał robotami sztuczne istoty - maszyny, będące imitacją człowieka i odznaczające się
dużym zdyscyplinowaniem i wydajnością pracy, o pewnych własnościach inteligencji, zdolne
do podejmowania decyzji i wykonywania prac, ale wolne od wszelkich uczuć.

Nazwa wprowadzona w literaturze rozpowszechniła się praktycznie we wszystkich

krajach uprzemysłowionych i obecnie przyjęto nazywać robotami automatyczne maszyny,
które wykonują czynności charakterystyczne dla człowieka.

3.2. Rozwój robotyki przemysłowej

Międzynarodowa Federacja Robotyki (IFR) wspólnie 7. Europejską Komisją

Ekonomiczną sporządza coroczne raporty zawierające dane statystyczne o rozwoju robotyki w
uprzemysłowionych krajach świata. Tu podaje się kilka wybranych zestawień ukazujących
stan obecny i historię rozwoju robotyki przemysłowej. Liczbę zainstalowanych robotów w
przemyśle w wybranych krajach w latach 1984-2002 podano w tablicy .1. Tablicę
sporządzono na podstawie statystyki prowadzonej przez Międzynarodową Federację Robotyki
(IFR) i wcześniejsze raporty.

Z tablicy 1 wynika, że w końcu 2002 roku w eksploatacji było ok. 770 tys. robotów

przemysłowych oraz że zdecydowanie najwięcej robotów jest zainstalowanych w Japonii
(ponad 40% wszystkich robotów na świecie), następnie w USA, w Niemczech i we Włoszech.

Liczby robotów zainstalowanych pod koniec 1999 roku w różnych częściach świata

pokazano na rys. 1. Na rys. 2 pokazano procentowy udział robotów zainstalowanych w
przemyśle w krajach Unii Europejskiej. Liczby robotów instalowanych rocznie w latach 1993-
2002 pokazano na rys. 3.

Rys. 2.

Procentowy

udział

robotów

zainstalowanych w przemyśle krajów Unii Europejskiej

Zwiększaniu sprzedaży robotów towarzyszy znaczący wzrost nakładów finansowych

przeznaczonych   na   robotyzację   i   automatyzację,   co   pokazano   na   przykładzie   Niemiec   w
latach   1990-2000   -   rys.   4   oraz   coraz   większy   ich   udział   w   wykonywaniu   operacji
technologicznych   w   przemyśle.   Na   rys.   5   przedstawiono   liczbę   robotów   przypadającą   w
przemyśle motoryzacyjnym na 10000 pracowników w wybranych krajach, w latach 1993 i
1999.

Rys. 3. Liczby robolów instalowanych rocznie w latach 1993-2002

4. Zakres i problematyka badawcza robotyki

Robotyka zajmuje się problemami dotyczącymi mechaniki, sterowania ruchem,

sensoryki, inteligencji maszynowej, projektowania, zastosowań i eksploatacji manipulatorów,
robotów i maszyn kroczących. W Encyklopedii Powszechnej PWN podano, że
„zastosowaniem robotów, ich mechaniką, sterowaniem i projektowaniem zajmuje się nauka
zwana robotyką”.

W robotyce jako nauce można wyróżnić następujące działy:

•

robotykę teoretyczną (teoria robotów i manipulatorów),

•

robotykę ogólną (metody, zagadnienia ekonomiczne, socjalne, społeczne, kształcenie,
terminologia, rozwój i perspektywy przyszłościowe).

Badania w robotyce teoretycznej dotyczą przede wszystkim struktur mechanicznych,

układów   napędowych,   lokomocji,   układów   sensorycznych,   teorii   sterowania,   a   także
sterowników i układów programujących oraz inteligencji maszynowej. Prace w dziedzinie
struktur mechanicznych   obejmują  zagadnienia  związane  z   dokładnością pozycjonowania  i
orientacją w przestrzeni roboczej. Jak dotąd z pięciu zmysłów człowieka: wzroku, dotyku,
smaku, słuchu, węchu, tylko wzrok i dotyk są przydatne w robotyce. Sterowanie głosem jest
przedmiotem   intensywnych   badań   na   świecie.   Znaczna   część   badań   z   zakresu   sztucznej
inteligencji (przez niektórych badaczy zwana inteligencją maszynową) dotyczy wspomagania
użytkownika w procesie informacyjnym wykonywanego zadania.

Robotyka ogólna zajmuje się zagadnieniami ekonomicznymi, socjalnymi. społecznymi,

kształcenia, ochrony i bezpieczeństwa pracy. Ważnym działem są tutaj prace z zakresu
standaryzacji terminologii i oznaczeń. Jest to stosunkowo słabo rozwinięty dział robotyki i jak
dotąd brak jest pewnych i w pełni obiektywnych metod oceny skutków ekonomicznych,
socjalnych i społecznych robotyzacji.

Według kryterium zastosowań robotów można natomiast wyróżnić następujące działy

robotyki:

•

robotyka przemysłowa (zastosowanie robotów i manipulatorów w przemyśle

elektromaszynowym, spożywczym, papierniczym, szklarskim, w chemii, energetyce,
górnictwie i innych działach gospodarki),

•

robotyka maszyn kroczących (jedno-, dwu-, cztero-, sześcio-, wielonożnych,

mieszanych kołowo-nożnych, do realizacji funkcji chodu, biegu, skoku, pełzania),

•

robotyka medyczna i rehabilitacyjna (manipulatory i roboty do chirurgii, terapii,

protetyki, rehabilitacji),

•

robotyka dziedzinowa (zastosowanie robotów w innych dziedzinach: do prac
podwodnych, w przestrzeni kosmicznej, na innych planetach, do prac naukowych, do
celów wojskowych, inspekcyjnych, walki z pożarami, katastrofami, w budownictwie,
ro

nictwi

, transporcie, usługach, administracji).

Przedmiotem zainteresowania robotyki przemysłowej jest zespół zagadnień związanych

z   zastosowaniem   robotów   i   manipulatorów   przemysłowych   do   celów   robotyzacji   takich
podstawowych   procesów   produkcyjnych,   jak   odlewnictwo,   spawalnictwo,   malarstwo,
lakiernictwo, montaż, obsługa pras i wiele innych procesów przemysłowych, wymagających
znacznego   wysiłku   fizycznego,   szkodliwych   i   niebezpiecznych   dla   człowieka.   Rozwój

techniki komputerowej umożliwia rozwój metod symulacji komputerowej z zakresu
projektowania zrobotyzowanych stanowisk technologicznych.

Robotyka maszyn kroczących jest dziedziną zajmującą się projektowaniem i

sterowaniem ruchu jedno-, dwu- i wielonożnych maszyn kroczących lub mieszanych nożno-
kołowych. Budowę tych maszyn wzoruje się na budowie i ruchu owadów, ssaków lub gadów.
Wybór chodu dostosowanego do terenu czy zapewniającego dobrą mobilność robota, jest
jednym z podstawowych, chociaż trudnych, zagadnień badawczych.

Prace badawcze w dziedzinie robotyki medycznej i rehabilitacyjnej koncentrują się na

zagadnieniach zastosowania robotów do celów chirurgii, terapii, wspomagania w przypadku
niedowładów kończyn człowieka oraz obsługi pacjentów. Interesującym przykładem
wykorzystania robota w dziedzinie chirurgii może być zastosowanie robota do operacji
usuwania tkanki w czaszce pacjenta, innym jeszcze są manipulatory rehabilitacyjne sterowane
głosem lub ruchami głowy, brody, gałki ocznej.

W ostatnich latach notuje się intensywny rozwój robotyki dziedzinowej do celów poza

przemysłowych.   Są   to   manipulatory   umieszczane   na   statkach   podwodnych   do   badania
zasobów   podwodnych,   manipulatory  na   statkach   kosmicznych   -  do   konserwacji   satelitów
telekomunikacyjnych i pobierania próbek na innych planetach. Rozwija się grupa robotów
przystosowanych   do   gaszenia   pożarów   lub   do   prac   związanych   z   usuwaniem   skutków
katastrof, do celów inspekcyjnych i likwidacji działań terrorystów, gdzie obecność człowieka
jest niepożądana. W obsłudze sfery gospodarczej i handlu obserwuje się obecnie zastosowanie
robotów do zadań związanych z pakowaniem, paletyzacja i transportowaniem towarów. W
rolnictwie   należy  oczekiwać   wzrostu   robotyzacji   procesów   suszenia   ziarna,   nawadniania,
nawożenia,   zbioru   tytoniu,   warzyw,   owoców,   sortowania   i   pakowania  owoców   itp.   W
budownictwie przewiduje się zrobotyzowanie prac ziemnych, układanie elewacji budynków i
inne.   Ekspansji   systemów   zrobotyzowanych   oczekuje   się   w   pracach   administracyjno-
biurowych i domowych. Zapewne niedługo pojawią się roboty osobiste przez analogię do
komputerów PC.

5. Prawa robotyki

Robotykę jako naukę charakteryzują pewne prawa. Pierwsze trzy prawa, zwane

kanonami robotyki,  sformułował w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku Isaac Asimov w
powieści „The Caves of Steel":
Pierwsze prawo robotyki:
Robot   nie   może   ingerować  w  działanie   człowieka,   oprócz   tych   działań,   które   szkodzą
człowiekowi.
Drugie prawo robotyki:
Robot  musi być posłuszny rozkazom  wydawanym  przez  człowieka,  oprócz  tych rozkazów,
które są sprzeczne z pierwszym prawem.
Trzecie prawo robotyki:
Robot   musi   chronić   swoją   egzystencje,   oprócz   tych   przypadków,   które   są   sprzeczne   z
pierwszym lub drugim prawem.

Trzy prawa (kanony) robotyki mają charakter uniwersalny i ponadczasowy. Nie

wymagają komentarza. Oprócz tych fundamentalnych praw w ostatnich latach sformułowano
wiele innych.
Czwarte prawo robotyki (Campbella i Dilowa):
Robot   musi   ujawniać   swoją   naturę   robota.   W   szczególności   robot   nie   może   udawać
człowieka.
Piąte prawo robotyki można sformułować następująco:
Im   bogatsze   jest   wyposażenie   robota   w   układy   sensoryczne,   zapewniające   percepcję
warunków otoczenia, a w szczególności możliwości autonomicznego określania działań przez
jego układ sterowania, tym - do pewnego dopuszczalnego stopnia - może być uboższa, mniej
złożona jego konstrukcja. Ten dopuszczalny stopień jest zależny od celu, który został przed
robotem postawiony oraz od możliwości zrealizowania tego celu przez robota.
Często stwierdza się, że można formułować wiele podobnych praw o rożnej doniosłości: tu
będzie przytoczone jeszcze jedno, stanowiące odpowiednik powiedzenia: ,,mądry głupiemu
ustępuje”. Jest to pewna wersja prawa Kopernika-Grahama. Brak jest cech charakteryzujących
„mądre" i „głupie roboty”. Można się tylko posłużyć ilorazem inteligencji, naturalnie o ile
istnieje   możliwość   określenia   ilorazu   inteligencji   robota.   Wtedy   byłoby   do   przyjęcia
traktowanie robota z większym ilorazem inteligencji jako mądrzejszego, a robota z mniejszym
ilorazem inteligencji jako mniej mądrego. Pozostałoby jeszcze do ustalenia, w jakim sensie
można mówić o ustępowaniu robotów. Oczywiście istnieje wiele możliwości interpretacji, a
jedną z prostszych jest następująca:
Jeśli cele dwóch robotów kolidują ze sobą, to najpierw powinna zostać zrealizowana
strategia tego robota, którego iloraz inteligencji jest niższy.

W związku z rozwojem robotyki i prowadzonymi badaniami z tego zakresu zapewne

będą odkryte i sformułowane następne prawa.